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KR101634391B1 - Fuel cell power production system with an integrated hydrogen utilization device - Google Patents

Fuel cell power production system with an integrated hydrogen utilization device Download PDF

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KR101634391B1
KR101634391B1 KR1020097017887A KR20097017887A KR101634391B1 KR 101634391 B1 KR101634391 B1 KR 101634391B1 KR 1020097017887 A KR1020097017887 A KR 1020097017887A KR 20097017887 A KR20097017887 A KR 20097017887A KR 101634391 B1 KR101634391 B1 KR 101634391B1
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KR
South Korea
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hydrogen
exhaust gas
gas
fuel
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Korean (ko)
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호세인 궤젤-아야그흐
프레드 씨. 잔케
Original Assignee
퓨얼 셀 에너지, 인크
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Publication date
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Abstract

부하에 전력을 공급하는 연료 전지 전력생산 장치에 있어서, 연료 공급 경로로부터 연료를 받고 양극 배출 가스를 배출하는 양극 격실과 산화제 가스를 받고 음극 배출 가스를 배출하는 음극 격실을 포함하는 고온 연료 전지, 상기 양극 배출 가스에 있는 물을 연료 공급 경로로 전송하고 물-분리된 양극 배출 가스를 배출하는 물 전송 장치, 및 산화제 가스와 상기 물-분리된 양극 배출 가스와 상기 물-분리된 양극 배출 가스로부터 추출된 가스 중 하나를 받고 산화제 가스를 포함하는 수소 이용 장치 배출 가스를 배출하는 수소 이용 장치를 포함하고, 상기 수소 이용 장치 배출 가스는 산화제 가스를 상기 음극에 제공하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 전력생산 장치.A high-temperature fuel cell comprising a cathode compartment for receiving fuel from a fuel supply path and discharging a cathode exhaust gas, and a cathode compartment for receiving an oxidant gas and discharging a cathode exhaust gas, A water transfer device for transferring water in the anode effluent gas to the fuel supply path and for discharging the water-separated anode effluent gas, and a water extractor for extracting the oxidant gas, the water- Wherein the hydrogen-utilizing device exhaust gas is used to provide an oxidant gas to the cathode, wherein the hydrogen-utilizing device exhaust gas is supplied to the anode Production equipment.

연료 전지, 전력, 수소 이용 장치, 가스, 재생, 물 전송 장치, 산화, 양극, 음극, 배출 가스 Fuel cell, electric power, hydrogen utilization device, gas, regeneration, water transfer device, oxidation, anode, cathode, exhaust gas

Description

집적된 수소 이용 장치를 구비한 연료 전지 전력생산 장치{FUEL CELL POWER PRODUCTION SYSTEM WITH AN INTEGRATED HYDROGEN UTILIZATION DEVICE}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a fuel cell power production system having an integrated hydrogen utilization device,

본 발명은 연료 전지 생산 장치, 특히 집적된 수소 이용 장치를 구비한 연료 전지 전력생산 장치와 관련된다. The present invention relates to a fuel cell production apparatus, and particularly to a fuel cell power production apparatus having an integrated hydrogen utilization apparatus.

연료 전지는 탄화수소 연료에 저장된 화학 에너지를 전기화학 작용을 이용하여 전기 에너지로 직접 변환하는 장치이다. 일반적으로 연료 전지는 전기적으로 대전된 이온을 전도하는데 사용되는 전해질에 의해 분리된 양의 전극과 음의 전극을 포함한다. Fuel cells are devices that convert chemical energy stored in hydrocarbon fuels directly into electrical energy using electrochemical processes. Generally, a fuel cell includes a positive electrode and a negative electrode separated by an electrolyte used to conduct electrically charged ions.

예상할 수 있는 바와 같이, 연료 전지에 의해 전력이 공급되는 가변 부하는 작동 과정에서 연료 전지에 가변 전력 수요를 나타낸다. 따라서 연료 전지는 이러한 가변 전력 수요를 효율적으로 처리함과 동시에 그 수요를 만족시키기에 충분한 전력을 공급해야 한다. 결과적으로, 연료 전지 효율을 증가시키고 높고 낮은 전력 수요의 처리를 개선하기 위하여, 양극 배출 가스에서(즉, 용융 탄산염 연료 전지에서, 연료의 약 10%에서 50%가 양극 배출 가스로 전지를 빠져나간다.) 과잉 수소 연료가 미래의 사용을 위해 연료 수요(전력 수요)가 증가할 때 연료 전지 또는 수소를 연료로 사용하는 다른 장치에 저장되는 연료 전지 장치가 제안되었다. 부가적으 로, 또한 효율을 개선하기 위해서, 연료 전지 장치는 양극 배출 가스로부터 수소의 전부 또는 일부를 추출하고 추출된 수소 연료를 연료 전지의 양극 입력으로 재활용한다.As can be expected, the variable load that is powered by the fuel cell exhibits a variable power demand for the fuel cell during operation. Therefore, the fuel cell must efficiently supply such variable power demand while at the same time supplying enough power to satisfy the demand. As a result, in a bipolar off-gas (i.e., in a molten carbonate fuel cell, about 10% to 50% of the fuel exits the cell to the anode exhaust gas to increase fuel cell efficiency and improve the handling of high and low power demands .) A fuel cell device has been proposed in which the excess hydrogen fuel is stored in a fuel cell or other device that uses hydrogen as the fuel demand (power demand) increases for future use. Additionally, to improve efficiency, the fuel cell apparatus extracts all or part of the hydrogen from the anode exhaust gas and recycles the extracted hydrogen fuel to the anode input of the fuel cell.

미국특허 제6,162,556호에 설명된 일 유형의 장치에서, 고온 연료 전지에서 전기화학 반응동안 소모되지 않은 과잉 수소는 미래의 사용을 위해 추출되고 수집되어 연료 전지의 외부에 저장된다. 더욱이, 상기 ‘556특허의 장치에서 일산화탄소, 수소, 물 및 이산화탄소를 함유하는 양극 배출 가스는 대부분의 일산화탄소가 물과 함께 이산화탄소 및 수소로 변환되는 쉬프트 반응기(shift reactor)를 통과한다. 발생하는 양극 배출 가스는 물 추출기 및 수소 분리 장치를 통과하고 필수적으로 단지 수소만 배출 가스에 남는다. 배출 가스를 포함하는 이 수소는 저장 장치에 저장되고 추후에 다른 수소 사용자에 공급될 수 있다.In one type of device described in U.S. Patent No. 6,162,556, excess hydrogen that has not been consumed during an electrochemical reaction in a high temperature fuel cell is extracted, collected, and stored outside the fuel cell for future use. Moreover, the anode exhaust gas containing carbon monoxide, hydrogen, water and carbon dioxide in the apparatus of the '556 patent passes through a shift reactor in which most of the carbon monoxide is converted to carbon dioxide and hydrogen together with water. The resulting anode exhaust gas passes through a water extractor and a hydrogen separator and essentially only hydrogen remains in the exhaust gas. This hydrogen containing exhaust gas may be stored in a storage device and subsequently supplied to other hydrogen users.

미국특허 제6,320,091호 및 국제출원공개번호 WO 99/46032에 설명된 다른 장치는 연료 수요가 연료 전지에 공급되는 연료 양보다 더 클 때 과잉 수소 연료를 저장하는 저장 장치 및 저장된 수소 연료를 연료 전지에 공급하는 수단을 채용한다. 상기 ‘091특허의 경우에, 금속수소화물 장치는 개질기(reformer) 출력이 연료 전지 수소 소비를 초과할 때 개질기로부터 전달된 수소 가스를 저장함으로써 가스 압력에 기초한 부하 평준화 장치(load leveling device)로 기능하고 개질기 출력이 연료 전기 소비보다 적을 때 저장된 수소를 연료 전지에 전달한다. 국제출원공개번호 WO 99/46032는 그러한 연료가 연료 전지에 즉시 필요로 하지 않을 때 버너 모듈에 의해 생산된 수소를 저장하는 수소 저장 수단 및 연료 수요가 버너 모듈에 의해 생산되는 수소의 양보다 더 많을 때 저장된 수소를 연료 전지에 공급하는 수단을 채용하는 장치를 설명한다. US Patent No. 6,320,091 and International Patent Application Publication No. WO 99/46032 disclose a storage device for storing excess hydrogen fuel when the fuel demand is greater than the amount of fuel supplied to the fuel cell, A supply means is employed. In the case of the '091 patent, the metal hydride device functions as a load leveling device based on gas pressure by storing the hydrogen gas delivered from the reformer when the reformer output exceeds fuel cell hydrogen consumption And delivers the stored hydrogen to the fuel cell when the reformer output is less than the fuel electricity consumption. International Application Publication No. WO 99/46032 discloses a hydrogen storage means for storing hydrogen produced by a burner module when such fuel is not immediately needed by the fuel cell and a hydrogen storage means for storing the hydrogen storage means in which the fuel demand is greater than the amount of hydrogen produced by the burner module An apparatus adopting a means for supplying stored hydrogen to the fuel cell will be described.

상기 유형의 장치에 더하여, 다수의 연료 전지를 사용하는 다른 장치 및 다른 연료 소비 장치들과 결합된 연료 전지가 높고 낮은 전력 수요 동안 처리뿐만 아니라 전력 생산을 개량하는데 사용되어왔다. 그러한 시스템의 하나는 일반 등록된 미국특허 제4,917,971호에 공개되어 있는데, 고온 용융 탄산염 연료 전지에 이어 저온 인산 연료 전지가 직렬로 배열된다. 미국특허 제6,655,325호에 공개된 다른 장치에서는 연료 전지가 엔진 및/또는 터빈과 함께 사용되어 엔진 배출 가스가 전기 생산을 위해 고체 산화물 연료 전지의 양극으로 통과되고 연료 전지 배출 가스는 배출 가스에서 추가적인 에너지를 재생하기 위해 터빈을 향하거나 또는 엔진에 다시 돌아가 재생된다. In addition to devices of this type, other devices using multiple fuel cells and fuel cells in combination with other fuel consumption devices have been used to improve power generation as well as processing during high and low power demands. One such system is disclosed in commonly-owned U.S. Patent No. 4,917,971, which is a hot molten carbonate fuel cell followed by a cold phosphoric acid fuel cell in series. In another device disclosed in U.S. Patent No. 6,655,325, a fuel cell is used in conjunction with an engine and / or turbine to allow the engine exhaust gas to pass to the anode of a solid oxide fuel cell for electrical production and the fuel cell exhaust gas to provide additional energy To the turbine or to the engine to regenerate.

연료 전지를 다른 연료 소비 장치와 결합하는 장치의 상태는 다수의 단점을 경험한다. 예를 들어, 많은 전통적인 장치들은 자력 시동(black start) 능력을 보유하지 않아서 운전 중지 후에 작동 상태로 회복하기 위해 그리드와 같은 전력 장치의 도움을 필요로 한다. 부가적으로, 연료 전지, 특히 직접 탄산염 연료 전지(direct carbonate fuel cell)는 상대적으로 높은 효율을 유지하기 위해 높은 이용 효율에서 작동해야 하기 때문에 전통적인 장치의 효율은 연료 성분 및 연료 이용 효율에 크게 의존한다. 더욱이, 전통적인 장치들은 연료, 산화제 가스 및 물과 같은 작동 물질을 장치 구성에 공급하는 비용을 포함하여 일반적으로 높은 작동 비용을 갖는다. The state of the device that combines the fuel cell with other fuel consumption devices experiences a number of disadvantages. For example, many traditional devices do not have the ability to have black start, requiring the assistance of a power device such as a grid to recover to an operating state after shutdown. Additionally, since fuel cells, particularly direct carbonate fuel cells, must operate at high utilization efficiencies in order to maintain relatively high efficiencies, the efficiency of traditional equipment is highly dependent on fuel components and fuel utilization efficiency . Moreover, conventional devices have a generally high operating cost, including the cost of supplying operating materials such as fuel, oxidant gas and water to the device configuration.

본 발명의 목적은 높은 연료 효율, 낮은 자본 및 작동 비용, 및 감소된 방출량을 갖는 개량된 연료 전지 전력생산 장치를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide an improved fuel cell power production device with high fuel efficiency, low capital and operating costs, and reduced emissions.

본 발명의 다른 목적은 수소 이용 장치와 결합된 고온 연료 전지를 채용하고 수소 이용 장치에서 효율적인 이용을 위해 고온, 저압 양극 방출 가스를 처리할 수 있는 연료 전지 전력생산 장치를 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a fuel cell power production apparatus employing a high temperature fuel cell combined with a hydrogen utilization apparatus and capable of processing high temperature, low pressure anode emission gas for efficient utilization in a hydrogen utilization apparatus.

본 발명의 또 다른 목적은 자력 시동 능력을 갖는 연료 전지 전력생산 장치를 제공하는 것이다. It is still another object of the present invention to provide a fuel cell power production apparatus having a magnetic starting capability.

상기 및 다른 목적은 연료 공급 경로로부터 연료를 받고 양극 배출 가스를 배출하는 양극 격실과 산화제 가스를 받고 음극 배출 가스를 배출하는 음극 격실을 포함하는 고온 연료 전지; 상기 양극 배출 가스에 있는 물을 연료 공급 경로에 전송하고 물-분리된 양극 배출 가스를 배출하는 물 전송 장치; 및 산화제 가스와 상기 물-분리된 양극 배출 가스로부터 추출된 가스 및 상기 물-분리된 양극 배출 가스 중 하나를 수용하고 산화제 가스를 포함하는 수소 이용 장치 배출 가스를 배출하는 수소 이용 장치를 포함하고, 상기 수소 이용 장치 배출 가스는 산화제 가스를 상기 음극에 제공하는데 사용된 것을 특징으로 하는 부하에 전력을 공급하는 연료 전지 전력생산 장치에서 실현된다. 상기 수소 이용 장치는 내연 기관, 디젤 엔진, 연소 터빈, 복열식 터빈 및 마이크로터빈 중 하나를 포함한다. 상기 고온 연료 전지는 탄산염 연료 전지 또는 고체산화물 연료 전지이다.The above and other objects are achieved by a high temperature fuel cell comprising a cathode compartment for receiving fuel from a fuel supply path and discharging a cathode exhaust gas, and a cathode compartment for receiving oxidant gas and discharging a cathode exhaust gas; A water transfer device for transferring water in the anode exhaust gas to a fuel supply path and discharging a water-separated anode exhaust gas; And a hydrogen utilization device that receives one of the oxidant gas, the gas extracted from the water-separated anode effluent gas, and the water-separated anode effluent gas and discharges the hydrogen utilizing apparatus exhaust gas containing the oxidant gas, Wherein the hydrogen-utilizing apparatus exhaust gas is used to supply an oxidant gas to the cathode. The hydrogen-utilizing device includes one of an internal combustion engine, a diesel engine, a combustion turbine, a reheat turbine, and a micro turbine. The high temperature fuel cell is a carbonate fuel cell or a solid oxide fuel cell.

특정 실시예에서, 상기 수소 이용 장치는 산화제 가스로 공기 및 보충적 연료를 부가로 수용하고 상기 수소 이용 장치에 제공된 상기 공기 및 보충적 연료를 제어하고 상기 부하의 변화에 반응하는 제어 장치를 부가로 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 물 전송 장치는 상기 양극 배출 가스에서 물을 압축하는 열 교환기, 상기 양극 배출 가스로부터 물을 분리하기 위해 상기 열 교환기에 이어지는 녹아웃 포트 및 상기 분리된 물의 압력을 증가시키는 펌프를 포함한다. 다른 실시예에서, 물 전송 장치는 냉각 장치, 직접 냉각 충전탑 또는 물 전송 휠을 포함한다. 본 예시적인 실시예에서, 연료 공급 경로에 있는 연료는 음극 배출 가스 및 양극 배출 가스 중 적어도 하나를 사용하여 예열된다. 일부 실시예에서, 상기 장치는 또한 산화제 가스를 음극에 배출하기 위해 수소 이용 장치 배출 가스를 예열하고 산화하는 산화기 장치를 포함한다. In certain embodiments, the hydrogen utilization apparatus further comprises a control device that additionally receives air and supplemental fuel as the oxidant gas and that controls the air and supplemental fuel provided to the hydrogen utilization device and responsive to changes in the load . In some embodiments, the water transfer device comprises a heat exchanger for compressing water in the anode effluent gas, a knock-out port subsequent to the heat exchanger for separating water from the anode effluent gas, and a pump for increasing the pressure of the separated water . In another embodiment, the water transfer device includes a cooling device, a direct cooling charge tower, or a water transfer wheel. In this exemplary embodiment, the fuel in the fuel supply path is preheated using at least one of a cathode exhaust gas and a cathode exhaust gas. In some embodiments, the apparatus also includes an oxidizer device for preheating and oxidizing the hydrogen-utilizing apparatus exhaust gas to vent oxidant gas to the cathode.

특정 실시예에서, 연료 전지 전력생산 장치는 또한 상기 양극 배출 가스를 상기 수소 이용 장치, 저장 장치 및/또는 배출 경로에 제공하지 않고 남아있는 양극 배출 가스를 물 전송 장치로부터 상기 산화기에 통과시키는 우회경로를 포함한다. 상기 장치의 제어 장치는 상기 물-분리된 양극 배출 가스를 상기 물 전송 장치에 통과시킨 후 수소 이용 장치 및 우회 경로 중 어느 하나에 선택적으로 연결한다. 상기 제어 장치는 또한 상기 물-분리된 양극 배출 가스의 일부를 저장 장치 및/또는 배출 경로에 선택적으로 연결하고, 저장 장치로부터의 양극 배출 가스를 수소 이용 장치에 선택적으로 연결한다. In certain embodiments, the fuel cell power production apparatus also includes a bypass path through which the remaining anode exhaust gas is passed from the water transfer apparatus to the oxidizer without providing the anode exhaust gas to the hydrogen utilization apparatus, the storage apparatus, and / . The controller of the apparatus selectively passes the water-separated anode exhaust gas to either the hydrogen utilization apparatus or the bypass path after passing through the water transfer apparatus. The control device also selectively connects a portion of the water-separated anode effluent gas to the storage and / or discharge path and selectively connects the anode exhaust gas from the storage device to the hydrogen-utilizing device.

특정 실시예에서, 상기 제어 장치는 상기 부하의 변화에 반응하는 제어기, 및 상기 물-분리된 양극 배출 가스의 일부가 상기 수소 이용 장치, 상기 저장 장치, 상기 배출 경로 및 상기 우회 경로에 선택적으로 운반되도록 상기 제어기에 반응하는 연결 유닛을 포함하고, 상기 양극 배출 가스의 적어도 일부는 상기 수소 이용 장치 및 상기 우회 경로의 적어도 하나에 연결되고 상기 저장 장치의 상기 양극 배출 가스의 적어도 일부가 상기 수소 이용 장치에 선택적으로 연결되도록 한다. 우회 경로 및 배출 경로에 더하여, 상기 장치는 또한 물 전송 장치, 제1재생 경로, 제2재생 경로, 수소 이용 장치 입력 경로, 저장 장치 입력 경로, 저장 장치 출력 경로로부터 상기 물-분리된 양극 배출 가스를 운반하는 양극 배출 경로를 포함한다. 상기 연결 유닛은 상기 양극 배출 경로에 있는 상기 물-분리된 양극 배출 가스를 제1재생 경로 및 제2재생 경로에 선택적으로 연결하는 제1연결 장치; 상기 제2재생 경로에 있는 상기 물-분리된 양극 배출 가스를 상기 배출 경로 및 저장 장치 입력 경로에 선택적으로 연결하는 제2연결 장치; 상기 저장 장치에 있는 상기 물-분리된 양극 배출 가스를 상기 수소 이용 장치 입력 경로에 연결하는 제3연결 장치; 및 상기 제1재생 경로에 있는 상기 물-분리된 양극 배출 가스를 상기 수소 이용 장치 입력 경로 및 상기 우회 경로에 선택적으로 연결하는 제4연결 장치를 포함한다. In certain embodiments, the controller is responsive to a change in the load, and a controller configured to selectively control the hydrogen-utilizing device, the storage device, the discharge path, and the bypass path Wherein at least a portion of the anode exhaust gas is connected to at least one of the hydrogen utilization apparatus and the bypass path and at least a portion of the anode exhaust gas of the storage apparatus is connected to the hydrogen utilization apparatus As shown in FIG. In addition to the bypass path and the discharge path, the apparatus also includes a water discharge device, a first regeneration path, a second regeneration path, a hydrogen utilization device input path, a storage device input path, And an anode exhaust path for carrying the anode exhaust path. Said connecting unit comprising: a first connecting device for selectively connecting said water-separated anode exhaust gas in said anode discharge path to a first regeneration path and a second regeneration path; A second connecting device for selectively connecting the water-separated anode exhaust gas in the second regeneration path to the discharge path and the storage device input path; A third connecting device for connecting the water-separated anode exhaust gas in the storage device to the hydrogen-utilizing device input path; And a fourth connecting device for selectively connecting the water-separated anode exhaust gas in the first regeneration path to the hydrogen-utilizing device input path and the bypass path.

상기 제어기는 상기 물-분리된 양극 배출 가스의 적어도 일부가 작동 시간 내내 상기 제1재생 경로에 연결되도록 상기 제1 내지 제4연결 장치를 제어한다. 상기 제어기는 상기 부하가 낮은 전력 수요를 나타낼 때 상기 물-분리된 양극 배출 가스의 일부가 상기 우회 경로 및 상기 제2재생 경로의 적어도 하나에 연결되고, 상기 부하가 높은 전력 수요를 나타낼 때 상기 물-분리된 양극 배출 가스는 상기 제1재생 경로 및 상기 수소 이용 장치 입력 경로에 연결되고 상기 저장 장치 안의 상기 물-분리된 양극 배출 가스의 일부가 상기 저장 장치 출력 경로에 연결되도록 상기 연결 장치들을 부가적으로 제어한다. 상기 제어기는 또한 상기 부하가 낮은 전력 수요를 나타낼 때 보충적 연료가 상기 수소 이용 장치에 공급되지 않고 상기 부하가 높은 전력 수요를 나타낼 때 상기 높은 전력 수요를 만족시키기 위해 미리 정해진 양의 보충적 연료가 상기 수소 이용 장치에 제공되도록 상기 보충적 연료의 상기 수소 이용 장치로의 공급을 제어한다. The controller controls the first to fourth connection devices such that at least a portion of the water-separated anode exhaust gas is connected to the first regeneration path during operation time. Wherein the controller is further configured such that when the load exhibits a low power demand, a portion of the water-separated anode effluent gas is connected to at least one of the bypass path and the second regeneration path, A separate anode exhaust gas is connected to the first regeneration path and the hydrogen utilization device input path and the connection devices are connected to the storage device output path so that a portion of the water- Control. The controller is further configured to determine whether a predetermined amount of supplemental fuel is sufficient to meet the high power demand when the load is not supplied to the hydrogen- To control the supply of the supplemental fuel to the hydrogen-utilizing device to be provided to the utilization device.

특정 실시예에서, 상기 연료 전지 전력생산 장치는 물-분리된 양극 배출 가스의 일부를 수용하여 상기 물-분리된 양극 배출 가스에 있는 수소를 배출 경로로 전송하는 수소 전송 장치를 부가로 포함한다. 그러한 실시예에서, 제어 장치는 상기 물-분리된 양극 배출 가스의 일부를 수소 물 전송 장치에 선택적으로 연결한다. 수소 전송 장치는 또한 수소 이용 장치에 의해 수용된 수소-분리된 양극 배출 가스를 배출한다. 일부 실시예에서, 수소 전송 장치는 상기 물-분리된 양극 배출 가스의 일부를 압축하는 압축기 및 상기 압축된 물-분리된 양극 배출 가스로부터 수소를 분리하고 상기 수소-분리된 가스를 수소 이용 장치에 배출하는 PSA 장치를 포함한다. 수소를 배출할 때, 양극 배출 가스에 있는 CO를 H2로 변환시키고 배출 가능한 수소의 양을 최대화하기 위해 양극 배출 가스의 초기 냉각 후에 물 가스 쉬프트 유닛이 종종 포함된다. 수소 또는 물-분리된 양극 배출 가스를 배출하는 것은 연료 형태로 장치로부터 열을 제거하기 때문에, 보충적 연료를 이용하는 수소 이용 장치와 함께 수소 전송 장치를 장치에 통합하는 것은 가용인 열에 제한됨이 없이 증가된 양의 수소 배출을 가능하게 한다. In a particular embodiment, the fuel cell power production apparatus further comprises a hydrogen transfer device for receiving a portion of the water-separated anode effluent gas and transferring the hydrogen in the water-separated anode effluent gas to an exhaust path. In such an embodiment, the control device selectively connects a portion of the water-separated anode effluent gas to the hydrogen water transfer device. The hydrogen transfer apparatus also discharges the hydrogen-separated anode exhaust gas received by the hydrogen-utilizing apparatus. In some embodiments, the hydrogen delivery device includes a compressor for compressing a portion of the water-separated anode effluent gas, and a compressor for separating hydrogen from the compressed water-separated anode effluent gas and supplying the hydrogen- And a PSA device for discharging the same. When discharging hydrogen, a water gas shift unit is often included after the initial cooling of the anode exhaust gas in order to convert the CO in the anode exhaust gas to H 2 and to maximize the amount of exhaustable hydrogen. Since discharging the hydrogen or water-separated anode exhaust gas removes heat from the device in the form of fuel, the incorporation of the hydrogen transfer device into the device, together with the hydrogen-utilizing device utilizing the supplemental fuel, Enables positive hydrogen discharge.

수소 이용 장치가 연소 터빈, 복열식 터빈 또는 마이크로터빈을 포함하는 특정 실시예도 또한 본원에 설명된다. 더욱이 연료 전지 전력생산 장치를 사용하는 전력생산 방법이 제공된다.Specific embodiments in which the hydrogen utilization apparatus includes a combustion turbine, a recuperated turbine or a microturbine are also described herein. Further, a method of producing electric power using a fuel cell electric power generating apparatus is provided.

본 발명의 상기 및 다른 특성 및 측면은 첨부된 도면과 함께 다음의 상세한 설명을 읽음으로써 더 명확해질 것이다.These and other features and aspects of the present invention will become more apparent from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings.

도1은 수소 이용 장치와 결합된 연료 전지를 사용하는 연료 전지 전력생산 장치의 블록도이다. 1 is a block diagram of a fuel cell power producing apparatus using a fuel cell combined with a hydrogen utilizing apparatus.

도2는 수소 이용 장치로 연소 터빈을 사용하는 도1의 연료 전지 전력생산 장치의 일 실시예이다.2 is an embodiment of the fuel cell power production apparatus of FIG. 1 using a combustion turbine as a hydrogen utilization apparatus.

도3은 수소 이용 장치로 복열식(recuperative) 터빈을 사용하는 도1의 연료 전지 전력생산 장치의 일 실시예이다.Figure 3 is an embodiment of the fuel cell power production apparatus of Figure 1 using a recuperative turbine as the hydrogen utilization device.

도4는 수소 이용 장치로 마이크로터빈을 사용하는 도1의 연료 전지 전력생산 장치의 일 실시예이다.4 is an embodiment of the fuel cell power production apparatus of FIG. 1 using a microturbine as a hydrogen utilization apparatus.

도5는 양극 배출 가스로부터 수소 연료를 추출하여 전달하는 추가적인 구성을 포함하는 도1의 연료 전지 전력생산 장치의 다른 실시예이다. FIG. 5 is another embodiment of the fuel cell power production apparatus of FIG. 1 including an additional configuration for extracting and delivering hydrogen fuel from the anode exhaust gas.

도1은 부하에 전력을 공급하는 연료 전지 전력생산 장치(1)에 있어서, 연료 공급 경로(6)로부터 연료를 받고 양극 배출 가스를 배출하는 양극 격실(3)과 산화제 가스를 받고 음극 배출 가스를 배출하는 음극 격실(4)을 포함하는 고온 연료 전지(2); 상기 양극 배출 가스에 있는 물을 연료 공급 경로(6)에 전송하고 물-분리된 양극 배출 가스를 배출하는 물 전송 장치(9); 및 수소 이용 장치(30)를 포함하는 장치를 보여준다. 수소 이용 장치(30)는 물 전송 장치(9)에 의해 양극 배출 가스로부터 물이 전송된 후 산화제 가스와 상기 물-분리된 양극 배출 가스의 하나와 상기 물-분리된 양극 배출 가스로부터 추출된 가스를 받고 산화제 가스를 포함하는 수소 이용 장치 배출 가스를 배출한다. 이때 상기 수소 이용 장치 배출 가스는 음극(4)에 산화제 가스를 제공하는데 사용된다. Fig. 1 shows a fuel cell power production apparatus 1 for supplying electric power to a load. The anode compartment 3 receives fuel from the fuel supply path 6 and discharges the anode exhaust gas. A high temperature fuel cell (2) comprising a cathode compartment (4) for discharging; A water transfer device (9) for transferring water in the anode discharge gas to the fuel supply path (6) and discharging the water-separated anode discharge gas; And a hydrogen utilization device (30). The hydrogen-utilizing device 30 is a device in which water is transferred from the anode exhaust gas by the water transfer device 9, and then the oxidant gas, the water-separated anode exhaust gas, and the gas extracted from the water- And discharges the hydrogen-utilizing apparatus exhaust gas containing the oxidizing agent gas. At this time, the hydrogen-utilizing apparatus exhaust gas is used to supply an oxidizing gas to the cathode (4).

이 예시적인 실시예에서, 고온 연료 전지(2)는 탄산염 연료 전지이고 수소 이용 장치(30)는 내연 엔진 또는 디젤 엔진과 같은 저온 CO2 및 CO 내피독성 엔진이다. 본 발명의 범위 내에서 다른 유형의 CO2 및 CO 내피독성 수소 이용 장치와 다른 유형의 고온 연료 전지의 사용이 예상되는 것을 알 수 있고 그 일부는 도2 내지 도4에 보여준다. 내연 엔진에 있어, 저압 물-분리된 양극 배출 가스는 엔진에 공급하기 위해 압축될 필요가 없다. 최적의 엔진 작동을 위해 필요하다면, 수소 이용 장치로부터의 배출 가스는 엔진으로부터 분리된 송풍 장치로부터 공기의 형태로 산화제 가스와 혼합될 수 있다. 도1에 도시된 연료 전지 전력생산 장치(1)는 또한 큰 부하 변화를 위해 필요할 때 미래의 사용을 위해 수소 이용 장치(30)에 의해 물-분리된 양극 배출 연료를 저장하는 선택적 저장 장치(32)를 포함할 수 있다. 압축기 (도1에 도시되지 않음)를 이용하여 가스를 더 효율적으로 저장하도록 물-분리된 양극 배출 연료의 압축이 채용될 수 있다. 저장 장치를 채울 때, 압축기에 의해 사용되는 전력 또한 적은 부하 동안의 순전력 생산을 감소시키고 가능한 부하 변화의 범위를 증가시킬 것이다. 또한 배출 경로(18)는 수소-풍부하고 물-제거된 양극 배출 가스를 장치 외부로 배출하기 위하여 장치(1)에 선택적으로 포함될 수 있다. 아래에서 더 자세히 설명된 바와 같이, 연료 전지 전력생산 장치(1)의 작동과 연료의 흐름 및 연료 전지와 수소 이용 장치로의 다른 작동 물질의 흐름은 제어 장치(1A)를 사용하여 제어된다.In this exemplary embodiment, the high temperature fuel cell 2 is a carbonate fuel cell and the hydrogen utilization device 30 is a low temperature CO 2 and CO endotoxic engine, such as an internal combustion engine or a diesel engine. It is understood that within the scope of the present invention, the use of different types of CO 2 and CO endotoxic hydrogen utilization devices and other types of high temperature fuel cells are anticipated and some of them are shown in FIGS. In the internal combustion engine, the low-pressure water-separated anode exhaust gas need not be compressed to feed the engine. If necessary for optimum engine operation, the exhaust gas from the hydrogen-utilizing device can be mixed with the oxidizing gas in the form of air from a blower separate from the engine. The fuel cell power production apparatus 1 shown in Fig. 1 also includes an optional storage device 32 for storing the water-separated anode exhaust fuel by the hydrogen-utilizing device 30 for future use when necessary for a large load change ). Compression of the water-separated anode effluent fuel may be employed to more efficiently store the gas using a compressor (not shown in FIG. 1). When filling storage, the power used by the compressor will also reduce net power production during low load and increase the range of possible load changes. The exhaust path 18 may also optionally be included in the device 1 for discharging hydrogen-rich, water-depleted anode exhaust gas out of the apparatus. As described in more detail below, the operation of the fuel cell power production apparatus 1 and the flow of fuel and the flow of other working materials to the fuel cell and the hydrogen utilization apparatus are controlled using the control apparatus 1A.

도1에 도시된 바와 같이, 장치(1)의 고온 연료 전지(2)는 전해질 매트릭스(5)에 의해 분리된 양극 격실(3)과 음극 격실(4)을 포함한다. 탄화수소를 포함하는 연료는 연료 공급기(명확성과 간략성을 위해 도시되지 않음)로부터 연료를 연료 전지(2)의 양극 격실(3)의 입구(3A)로 전송하는 연료 공급 경로(6)에 제공된다. 특히, 도시된 바와 같이, 공급 라인(6)은 연료를 연료에 존재하는 황-함유 화합물을 제거하는 탈황기(6A)로 전송한다. 탈황기(6A)는 연료를 통과시켜 연료의 어떤 황-함유 화합물을 흡수하는 하나 이상의 황-흡수 베드를 포함한다. 1, the high temperature fuel cell 2 of the device 1 comprises a positive electrode compartment 3 and a negative electrode compartment 4 separated by an electrolyte matrix 5. Fuel containing hydrocarbons is provided in a fuel supply path 6 that transfers fuel from the fuel supply (not shown for clarity and simplicity) to the inlet 3A of the anode compartment 3 of the fuel cell 2 . In particular, as shown, the feed line 6 transfers the fuel to the desulfurizer 6A to remove the sulfur-containing compounds present in the fuel. The desulfurizer 6A comprises at least one sulfur-absorbing bed for passing fuel therethrough to absorb certain sulfur-containing compounds of fuel.

탈황기(6A)에 통과된 후, 공급 라인(6)의 연료는 가습 연료를 생산하기 위해 물 전송 장치(9)로부터의 물 공급 라인(13)을 경유한 물과 결합된다. 이때 가습 연료는 양극 배출 가스에 의해 제1열 교환기(6B)에서 및 음극 배출 가스에 의해 제2열 교환기(6C)에서 예열된다. 이때 예열된 가습 연료는 연료로부터 어떤 미량 산소와 중탄화수소 오염물질을 제거하는 탈산기/전변환기(deoxidizer/preconverter) 유닛(6D)에 통과되고 연료가 음극 배출 가스에 의해 추가적으로 가열되는 추가적인 열 교환기(6E)에 통과된다. 이때 예열되고 탈산된 가습 연료는 입구(3A)를 통해 양극 격실(3)에 공급된다. After passing through the desulfurizer 6A, the fuel in the feed line 6 is combined with the water via the water feed line 13 from the water transfer device 9 to produce humidified fuel. At this time, the humidifying fuel is preheated in the first heat exchanger 6B by the anode exhaust gas and in the second heat exchanger 6C by the cathode exhaust gas. The preheated humidified fuel is then passed through a deoxidizer / preconverter unit 6D, which removes any trace oxygen and heavy hydrocarbon contaminants from the fuel, and an additional heat exchanger (not shown) in which the fuel is additionally heated by the cathode exhaust gas 6E. At this time, the preheated and dehumidified humidified fuel is supplied to the anode compartment 3 through the inlet 3A.

양극 입구(3A)를 통해 양극 격실(3)에 들어간 연료는 수소와 일산화탄소를 생산하고 연료 전지(2)의 음극 격실(4)을 통과하는 산화제 가스와 전기화학 반응을 수행하기 위해 개질된다. 양극 격실(3)에서 생산된 양극 배출 가스는 연료 전지(2)를 나가 양극 출구(3B)를 통하여 양극 배출 경로(7)로 간다. 배출 경로(7)의 양극 배출 가스는 반응하지 않은 수소, 일산화탄소, 수증기, 이산화탄소 및 미량의 다른 가스를 포함한다. 비록 도1에 도시되지 않았지만, 장치(1)의 특정 실시예는 양극 배출 가스에 있는 일산화탄소와 물을 수소와 이산화탄소로 변환하는 쉬프트 변환기를 포함할 수 있다. 그러나 도1의 예시적인 실시예에서, 양극 배출 가스를 수용하는 수소 이용 장치(30)가 CO 내피독성이기 때문에 쉬프트 변환기가 필요 없다.The fuel that has entered the anode compartment 3 through the anode inlet 3A is reformed to produce hydrogen and carbon monoxide and to perform an electrochemical reaction with the oxidant gas passing through the cathode compartment 4 of the fuel cell 2. The anode exhaust gas produced in the anode compartment 3 leaves the fuel cell 2 and goes through the anode outlet 3B to the anode exhaust path 7. [ The anode exhaust gas in the exhaust path (7) includes unreacted hydrogen, carbon monoxide, water vapor, carbon dioxide, and trace amounts of other gases. Although not shown in FIG. 1, a specific embodiment of apparatus 1 may include a shift converter for converting carbon monoxide and water in the anode effluent gas to hydrogen and carbon dioxide. However, in the exemplary embodiment of FIG. 1, a shift transducer is not necessary because the hydrogen utilization device 30 containing the anode effluent gas is CO endotoxic.

도1에 도시된 바와 같이, 배출 경로(7)에서 양극 배출 가스는 먼저 제1열 교환기(6B)에서 냉각되고(그것 때문에 공급 경로(6)에서 연료를 가열한다) 다른 열 교환기(10), 녹아웃 포트(11, knock out pot) 및 펌프(14)를 포함하는 물 전송 장치(9)로 보내진다. 물 전송 장치(9)에서, 양극 배출 가스는 열 교환기(10)에서 더욱 냉각되어 양극 배출 가스에 존재하는 물이 압축되고 양극 배출 가스의 나머지 성분을 포함하는 배출 가스와 액체인 물의 혼합물이 형성된다. 그러므로 배출 가스와 수증기의 혼합물은 물이 배출 가스에서 분리되고 물-분리된 양극 배출 가스가 양극 배출 경로(7)로 배출되는 녹아웃 포트(11)에 통과된다. 녹아웃 포트(911)에서 분리된 물은 물의 압력을 증가시키는 펌프(14)에 통과된다. 그러므로 분리되고 압축된 물은 물 공급 라인(13)을 경유하여 연료 공급 경로(6)에 보내진다. 더욱이, 녹아웃 포트(11)와 펌프(14)에서 생산된 어떤 과잉 물은 장치(1)로부터 연결 라인(12)으로 배출된다. 1, the anode exhaust gas in the discharge path 7 is first cooled in the first heat exchanger 6B (thereby heating the fuel in the supply path 6), and is then supplied to the other heat exchanger 10, A knock-out pot 11, and a pump 14. The water delivery device 9 includes a knock- In the water transfer device 9, the anode effluent gas is further cooled in the heat exchanger 10 to form a mixture of water, which is water and liquid that is present in the anode effluent, . Therefore, the mixture of the exhaust gas and the water vapor is passed through the knockout port 11 where water is separated from the exhaust gas and the water-separated anode exhaust gas is discharged to the anode discharge path 7. The water separated from the knockout port 911 is passed through a pump 14 which increases the pressure of the water. Therefore, the separated and compressed water is sent to the fuel supply path 6 via the water supply line 13. Moreover, any excess produced by the knock-out port 11 and the pump 14 is discharged from the device 1 to the connecting line 12. [

이러한 예시적인 실시예에서, 일반적인 녹아웃 포트 및 펌프가 물의 압력을 증가시키고 분리하기 위한 장치(1)에 사용하기 적당하다. 이해할 수 있는 바와 같이, 분압 스윙 물 전송 장치(partial-pressure swing water transfer device), 전통적인 엔탈피 휠 가습기(enthalpy wheel humidifier), 냉각기, 멤브레인(membrane), 충전탑 또는 흡수형/박리형 장치(absorber/ stripper type system)와 같은 다른 물 전송 장치 또는 조립체가 물의 전부 또는 일부를 전송하기 위해 열 교환기(10), 녹아웃 포트(11) 및 펌프(14)와 함께 또는 대신해서 사용될 수 있다.In this exemplary embodiment, a general knock-out port and pump are suitable for use in the device 1 for increasing and separating the pressure of water. As can be appreciated, a partial-pressure swing water transfer device, a conventional enthalpy wheel humidifier, a cooler, a membrane, a packed bed, or an absorber / stripper type system) may be used with or in place of heat exchanger 10, knockout port 11 and pump 14 to transfer all or part of the water.

물-분리된 양극 배출 가스는 녹아웃 포트(11)를 나가고 소량의 물 및 변환되지 않은 탄화수소(일반적으로 메탄)와 함께 주로 수소와 CO 연료와 CO2를 포함한다. 이 물-분리된 양극 배출 가스는 양극 배출 경로(7)에 의해 녹아웃 포트(11)에서 물-분리된 양극 배출 가스를 수소 이용 장치(30)로 이어지는 공급 경로(15)와 제2연결 장치(41B)로 이어지는 공급 경로(16)에 선택적으로 연결하는 제1연결 장치(41A)로 전송된다. 제2연결 장치(41B)는 선택적인 출력 경로(18) 및 연결 경로(17)를 통하여 공급 경로(16)에 있는 물-분리된 양극 배출 가스를 선택적 저장 장치(32)에 선택적으로 교대로 연결한다. 선택적 저장 장치(32)는 연결 경로(19)를 통하여 수소 이용 장치(30)에 연결된 제2연결 장치(41C)를 경유하여 저장된 양극 배출 가스를 수소 이용 장치(30)에 배출할 수 있다.The water-separated anode effluent exits the knock-out port 11 and contains predominantly hydrogen and CO fuel and CO 2 with a small amount of water and unconverted hydrocarbons (typically methane). This water-separated anode exhaust gas is supplied to the anode outlet path 7 by way of a water pathway which is water-separated from the knock-out port 11 into a supply path 15 leading to the hydrogen- To the first connecting device 41A which selectively connects to the supply path 16 leading to the first connecting device 41A. The second connecting device 41B selectively connects the water-separated anode exhaust gas in the supply path 16 to the selective storage device 32 alternately via the optional output path 18 and the connecting path 17 do. The selective storage device 32 may discharge the stored anode exhaust gas to the hydrogen utilizing device 30 via the second connecting device 41C connected to the hydrogen utilizing device 30 via the connection path 19. [

도1에 도시된 예시적인 실시예에서, 공급 경로(15)는 공급 경로(15)에 있는 물-분리된 양극 배출 가스를 수소 이용 장치(30) 및 우회 경로(20)에 선택적으로 연결하는 제4연결 장치(41D)를 포함한다. 우회 경로(20)는 수소 이용 장치(30)를 우회하고 수소 이용 장치(30)로부터 배출 가스를 운반하는 산화제 가스 경로(24)와 연결된다. 소량의 물-분리된 양극 배출 가스를 우회시키는 것은 음극으로 가는 산화제 가스의 온도를 제어하는데 유용할 수 있다. 또한 비록 물-분리된 양극 배출 가스의 낮은 btu/scf 성질이 일반적으로 엔진에서 생산된 대부분의 NOx를 억제하지만, 장치 배출 가스에서 물-분리된 양극 배출 가스에서 수소를 산화장치의 촉매 상의 NOx와 반응시킴으로써 어떤 NOx를 감소시키는데 도움을 줄 수 있다. 유사하게, 수소 이용 장치 배출 가스에 존재하는 CO는 또한 CO를 산화장치의 촉매 상의 O2와 반응시킴으로써 감소될 것이다. NOx와 CO는 일반적으로 발전소에서 규정되는 방출물질들이므로 NOx와 CO를 최소화하는 것이 중요하다.1, the supply path 15 is connected to the hydrogen-utilizing device 30 and the bypass path 20 by a water-separating anode exhaust gas in the supply path 15, 4 connecting device 41D. The bypass path 20 is connected to the oxidant gas path 24 bypassing the hydrogen utilization device 30 and conveying the exhaust gas from the hydrogen utilization device 30. [ Bypassing a small amount of water-separated anode exhaust gas may be useful for controlling the temperature of the oxidant gas to the cathode. Also, although the low btu / scf nature of the water-separated anode effluent generally suppresses most of the NOx produced in the engine, the hydrogen in the water- The reaction can help to reduce any NOx. Similarly, CO present in the hydrogen-utilizing device off-gas will also be reduced by reacting CO with O 2 on the catalyst of the oxidizing device. It is important to minimize NOx and CO since NOx and CO are generally emission materials specified in the power plant.

연결 장치(41A-D)는 장치의 전력 수요에 기초하여 제어 장치(1A)의 제어기(41)에 의해 제어된다. 특히, 제어 장치(1A)는 장치(1) 상의 여러 부하의 전력 수요에서 변화를 감시하고 탐지하며, 장치(1A)의 제어기(41)는 여러 부하의 변하는 전력 수요를 충족시키기 위해 요구되는 가스 연결을 제공하고 따라서 물-분리된 양 극 배출 가스의 전송을 조절하도록 연결 장치(41A-D)를 제어한다. 물-분리된 양극 배출 가스 전송의 이러한 조절은 장치(1)에서 실현되게 하려는 사용자와 효율에 의존하여 다양한 형태를 가질 수 있다. The connecting devices 41A-D are controlled by the controller 41 of the control device 1A based on the power demand of the device. In particular, the control device 1A monitors and detects changes in the power demand of the various loads on the device 1, and the controller 41 of the device 1A determines the gas connection required to meet the varying power demands of the various loads And thus controls the connecting devices 41A-D to regulate the transmission of the water-separated anode discharge gas. This adjustment of the water-separated anode exhaust gas transfer may take various forms depending on the user and the efficiency to be realized in the device 1.

아래에 더 자세히 설명된 바와 같이, 수소 이용 장치(30)로부터의 배출 가스는 단독으로 또는 우회 경로(20)로부터의 우회되고 물-분리된 양극 배출 가스와 함께 연료 전지(2)의 음극 격실(4)에 산화제 가스를 제공하는데 사용된다. 그러므로 도1의 예시적인 실시예에서, 제어기(41)는 경로(7)에서 물-분리된 양극 배출 가스의 적어도 일부분을 선택적으로 연결하도록 연결 장치(41A-D)를 제어하고 바람직하게는 물-분리된 양극 배출 가스의 상당한 부분을 연료 전지 음극(4)으로 산화제 가스의 계속적인 공급을 제공하기 위하여 시스템의 작동 동안 제4연결 장치(41D)를 제어한다. 탄산염 연료 전지에 있어서, CO2는 또한 연료 전지 음극(4)으로 제공되어야 한다. As will be described in more detail below, the exhaust gas from the hydrogen-utilizing device 30 can be supplied to the cathode compartment (not shown) of the fuel cell 2 alone or in combination with the water- 4). ≪ / RTI > Thus, in the exemplary embodiment of FIG. 1, the controller 41 controls the connecting devices 41A-D to selectively connect at least a portion of the water-separated anode effluent gas in path 7, And controls a fourth connecting device 41D during operation of the system to provide a continuous supply of oxidant gas to the fuel cell cathode 4 with a substantial portion of the separated anode exhaust gas. In the carbonate fuel cell, CO 2 must also be provided to the fuel cell cathode 4.

제어 장치(1A)에 의해 탐지되는 전력 수요가 낮고 고온 연료 전지(2)의 출력과 수소 이용 장치의 출력의 합보다 적을 때, 제어기(41)는 제어 장치(41A-D)를 조절하여 저장 장치로부터 수소 이용 장치로의 연료 공급을 최소화하고 경로(7)에서 물-분리된 양극 배출 가스의 상당한 부분이 우회 경로(20) 및 하나 이상의 선택적 배출 경로(18) 또는 선택적 저장 장치(32)에 연결된다. 전력 수요가 고온 연료 전지(2)의 출력을 초과할 때, 제어기(41)는 연결 장치(41A-D)를 조절하여 경로(7)에 물-분리된 양극 배출 가스의 상당한 부분이 수소 이용 장치(30)에 의한 추가적인 전력 생산을 위해 수소 이용 장치(30)에 연결되고, 반면에 물-분리된 양극 배출 가스의 나머지 부분은 우회 경로(20), 배출 경로(18) 및/또는 선택적 저장 장치(32)에 연결된다. 높은 전력 수요 동안에, 제어기(41)는 물-분리된 양극 배출 가스의 전부 또는 상당한 부분을 수소 이용 장치(30)에 연결하도록 연결 장치(41A-D)를 조절하고 나아가 추가적인 전력 생산을 위해 저장 장치(32)로부터 추가적인 연료를 출력하도록 선택적 저장 장치(32)를 수소 이용 장치(30)에 연결하도록 제3장치(41C)를 조절할 수 있다. 보충적 연료는 상기에 설명된 저장 장치(32)로부터 연료와 유사하게 조절되고 사용될 수 있다.When the power demand detected by the control device 1A is low and less than the sum of the output of the high temperature fuel cell 2 and the output of the hydrogen utilizing device, the controller 41 adjusts the control device 41A- And a significant portion of the water-separated anode effluent gas in path 7 is connected to the bypass path 20 and the at least one optional discharge path 18 or optional storage device 32 do. When the power demand exceeds the output of the high temperature fuel cell 2, the controller 41 adjusts the connection devices 41A-D such that a substantial portion of the water- And the remaining portion of the water-separated anode exhaust gas is connected to the bypass 30, exhaust path 18 and / or optional storage < RTI ID = 0.0 > (Not shown). During high power demand, the controller 41 controls the connecting devices 41A-D to connect all or a substantial portion of the water-separated anode effluent gas to the hydrogen utilization device 30, The third device 41C may be adjusted to connect the optional storage device 32 to the hydrogen utilization device 30 to output additional fuel from the hydrogen storage device 32. [ The supplemental fuel can be regulated and used similarly to the fuel from the storage device 32 described above.

도1에 도시되고 상기 설명된 바와 같이, 경로(15)에서 물-분리된 양극 배출 가스의 전부 또는 일부는 연결 장치(41A)로부터 수소 이용 장치(30)로 통과된다. 특정한 예시적 실시예에서, 압축된 연료가 수소 이용 장치에 의해 요구되지 않을 때, 경로(15)에서 물-분리된 양극 배출 가스는 수소 이용 장치(30)에 공급되기 전에 공기 공급 경로(21)로부터 공기의 형태로 산화제 가스와 혼합된다. As shown in FIG. 1 and described above, all or a portion of the water-separated anode effluent gas in path 15 is passed from the connecting device 41A to the hydrogen- In a particular exemplary embodiment, when the compressed fuel is not required by the hydrogen-utilizing device, the water-separated anode effluent gas in path 15 is passed through air supply path 21 before being supplied to hydrogen- Lt; RTI ID = 0.0 > air. ≪ / RTI >

특정 실시예에서, 또한 수송 이용 장치(30)에는 보충적 연료 공급 경로(22)를 경유하여 보충적 연료 공급기(도시되지 않음)로부터 보충적 연료가 공급된다. 수소 이용 장치(30)로 공급되는 경로(22)로부터의 보충적 연료 및 공기 공급 경로(21)로부터의 공기의 양은 수소 이용 장치(30)의 요구되는 작동 및 측정된 전력 수요에 기초하여 제어 장치(1A)의 제어기(41)에 의해 제어된다. 그러므로 예를 들어, 측정된 전력 수요가 높아 고온 연료 전지(2)에 의해 생산된 전력을 초과할 때, 제어기(41)는 측정된 수요를 만족시키도록 충분한 전력을 공급하기 위하여 수소 이 용 장치(30)에 공급되는 보충적 연료를 제어한다. 도시된 바와 같이, 수소 이용 장치에 공급된 보충적 연료는 저장 장치(32)로부터의 연료 및 보충적 연료 공급기로부터의 연료의 혼합물일 수 있다. 또한 압축된 연료가 필요할 때, 저장 장치(32)로부터 압축된 보충적 연료 또는 압축된 물-분리된 양극 배출 가스가 공기와 혼합되거나 또는 수소 이용 장치(30)에 독립적으로 주입될 수 있다.In a specific embodiment, the transport utilization device 30 is also supplied with supplemental fuel from a supplemental fuel supply (not shown) via a supplemental fuel supply path 22. [ The amount of supplemental fuel and air from the air supply path 21 from the path 22 supplied to the hydrogen utilization device 30 is controlled by the control device (not shown) based on the desired operation of the hydrogen utilization device 30 and the measured power demand 1A). ≪ / RTI > Thus, for example, when the measured power demand is high and exceeds the power produced by the hot-cell fuel cell 2, the controller 41 may determine that the hydrogen demand is sufficient to supply enough power to meet the measured demand 30, respectively. As shown, the supplemental fuel supplied to the hydrogen utilization device may be a mixture of fuel from the storage device 32 and fuel from the supplemental fuel supply. Also, when compressed fuel is needed, the compressed supplemental fuel or compressed water-separated anode exhaust gas from storage 32 may be mixed with air or injected independently into hydrogen-utilizing device 30. [

수소 이용 장치(30)에서, 수소 이용 장치에 공급된 물-분리된 양극 배출 가스 및 어떤 보충적 연료의 사용되지 않은 수소 연료는 전력 및 수소 이용 장치 배출 가스를 생산하기 위해 산화제 가스, 즉 공기와 함께 연소된다. 주로 N2, CO2, O2 및 적은 양의 사용되지 않은 탄화수소 연료를 포함하는 이러한 배출 가스는 수소 이용 장치(30)로부터 음극(4)의 입구(4A)로 이어지는 음극 산화제 가스 경로(24)에 통과된다. 또한 상기에 언급된 바와 같이, 물-분리된 양극 배출 가스의 전부 또는 일부는 산화제 가스 경로(24)에서 수소 이용 장치로부터의 배출 가스와 혼합되도록 우회 경로(20)를 경유하여 수소 이용 장치(30)를 우회할 수 있다. In the hydrogen utilization apparatus 30, the water-separated anode exhaust gas supplied to the hydrogen-utilizing apparatus and the unused hydrogen fuel of any supplemental fuel are supplied together with the oxidant gas, i.e., air, to produce power and hydrogen- Burned. This effluent gas, which mainly comprises N 2 , CO 2 , O 2 and a small amount of unused hydrocarbon fuel, is fed to the anode oxidant gas path 24 leading from the hydrogen utilization device 30 to the inlet 4 A of the cathode 4, . Also, as mentioned above, all or a portion of the water-separated anode effluent gas is passed through the bypass path 20 to be mixed with the off-gas from the hydrogen-utilizing apparatus in the oxidizer gas path 24, ) Can be bypassed.

경로(24)에서의 배출 가스 또는 배출 가스 및 물-분리된 양극 배출 가스의 혼합물은 가스에서 어떤 연소되지 않은 탄화수소가 CO2 및 O2가 풍부한 산화제 가스를 생산하도록 산화되는 산화기(24A)를 통하여 전송된다. 또한 산화기의 촉매 또는 독립된 촉매는 수소 이용 장치(30)로부터의 배출 가스에서 NOx를 감소시키기 위해 사용될 수 있다. 이때 산화기(24A)에서 생산된 산화제 가스는 연료 전지(2)에서 전기화학 반응을 위해 음극 입구(4A)로 공급된다. 음극 배출 가스는 음극 출구를 통 해 음극 격실(4)을 나가고 음극 배출 경로(24)에 의해 운송된다. 도시된 바와 같이, 음극 배출 경로 또는 그 일부는 음극 배출 가스를 경로(24)에 의해 운반된 산화제 가스와 혼합함으로써 연결 경로(24)에 연결된 재생 경로(26)를 경유하여 음극(4)으로 돌아가 재생된다. 또한 이러한 실시예에서, 음극 재생 송풍기(26A)가 재생 경로(26)에서 음극 배출 가스 부분을 재생하도록 사용될 수 있다. 일반적으로 음극 재생은 양호한 흐름 분배 및 열 전달을 위해 필요한 일정 수준의 음극 흐름을 유지하기 위해 장치의 터언다운(turndown)동안 사용된다.The mixture of exhaust gas or exhaust gas in path 24 and the water-separated anode exhaust gas includes an oxidizer 24A in which some unburned hydrocarbons in the gas are oxidized to produce CO 2 and O 2 rich oxidant gas Lt; / RTI > A catalyst in the oxidizer or an independent catalyst can also be used to reduce NOx in the exhaust gas from the hydrogen utilization device 30. [ At this time, the oxidant gas produced in the oxidizer 24A is supplied to the cathode inlet 4A for the electrochemical reaction in the fuel cell 2. The cathode exhaust gas exits the cathode compartment (4) through the cathode outlet and is transported by the cathode exhaust path (24). As shown, the cathode exhaust path, or a portion thereof, is returned to the cathode 4 via the regeneration path 26 connected to the connection path 24 by mixing the cathode exhaust gas with the oxidant gas carried by the path 24 Is reproduced. Also in this embodiment, the cathode regeneration blower 26A may be used to regenerate the cathode exhaust gas portion in the regeneration path 26. [ In general, cathode regeneration is used during the turndown of the device to maintain a certain level of cathode current required for good flow distribution and heat transfer.

음극 격실(4)로 돌아가 사용되지 않는 음극 배출 가스는 배출 경로(28)에 의해 전송되고 음극 배출 가스가 냉각되면서 경로(6)에 있는 연료를 가열하는 열 교환기(6C 및 6E)에 통과된다. 이때 냉각된 음극 배출 가스는 장치(1)로부터 제거 및/또는 부가적인 폐열 회수에 사용된다. 그러므로 장치(1)를 떠나는 음극 배출 가스에 저장된 열 에너지는 주거용 난방과 같은 다른 응용에 사용될 수 있다. Returning to the cathode compartment 4, the unused cathode exhaust gas is passed to the heat exchangers 6C and 6E which are sent by the exhaust path 28 and which heat the fuel in the path 6 as the cathode exhaust gas is cooled. The cooled cathode exhaust gas is then removed from the apparatus 1 and / or used for additional waste heat recovery. The heat energy stored in the cathode exhaust gas leaving the device 1 may therefore be used in other applications such as residential heating.

도1에 도시된 장치(1)는 작동 및 생산 효율에서 상당한 개선을 가져온다. 특히 내연 엔진이 장치에서 수소 이용 장치(30)로 사용될 때, 장치의 전체적인 효율이 전통적인 직접 연료 전지 장치의 전체적인 효율 약 47%에 비교하였을 때 약 51%로 증가된다. 보토밍 사이클(bottoming cycle)에 기초한 증기 터빈이 폐열을 회수하기 위해 사용되었을 때, 유사한 증가(증기 터빈을 갖는 전통적인 직접 연료 장치에서 약 54%인데 비하여 전체적인 효율이 약 59%로 증가)가 기대된다. 모든 폐열을 포집하기 위하여 폐열 회수가 채용되었을 때, 장치(1)의 효율은 전통적인 직접 연료 전지 장치의 전체적인 효율 약67%에 비하여 약 74%로 증가된다. The device 1 shown in Figure 1 leads to a significant improvement in operation and production efficiency. Particularly when the internal combustion engine is used in the device as the hydrogen utilization device 30, the overall efficiency of the device is increased to about 51% when compared to about 47% of the overall efficiency of the conventional direct fuel cell device. When a steam turbine based on the bottoming cycle is used to recover waste heat, a similar increase is expected (overall efficiency is increased to about 59% compared to about 54% in a conventional direct fuel plant with a steam turbine) . When waste heat recovery is employed to collect all the waste heat, the efficiency of the device 1 is increased to about 74% compared to about 67% of the overall efficiency of the conventional direct fuel cell device.

더욱이, 장치(1)에 의한 전력 생산 비용($/kw)은 장치의 크기에 따라 약 $400에서 $1000/kw만큼 감소하여, 전력 생산 비용의 10%에서 20% 절감을 가져온다. 전체적인 효율 및 전력 생산 비용에서 이러한 개선은 산화제 가스 공급 장치의 필요성을 제거하고 산화제 가스를 연료 전지 음극에 제공하기 위하여 수소 이용 장치 배출 가스를 사용함으로써 뿐만 아니라 연료 전지를 내연 엔진과 같은 수소 이용 장치로서 저비용 엔진과 통합함으로써 발생된다. 추가적인 효율 개선은 양극에 전송된 연료를 가습하기 위해 양극 배출 가스로부터 물을 재활용하는 것으로부터 발생된다. Moreover, the cost of generating power ($ / kw) by device 1 is reduced by about $ 400 to $ 1000 / kw depending on the size of the device, resulting in a 10% to 20% savings in power production costs. This improvement in overall efficiency and power production cost can be achieved not only by using the hydrogen-utilizing device exhaust gas to eliminate the need for the oxidizing gas supply device and to provide the oxidizing gas to the fuel cell cathode, but also by using the fuel cell as a hydrogen- Low-cost engine. An additional efficiency improvement results from recycling water from the anode effluent gas to humidify the fuel transferred to the anode.

또한 장치(1)의 생산 비용은 전통적인 전력 생산 장치에 비하여 감소된다. 특히 도1의 장치(1)는 수소 이용 장치 배출 가스가 이미 적당한 온도로 예열되기 때문에 음극 격실에서 사용하기 위한 산화제 가스를 예열하여 공급하는 가열기 및 공기 송풍기에 대한 필요성을 제거한다. 추가적으로, 양극 격실에 통과된 연료를 가습하기 위해 양극 배출 가스로부터 물을 재활용하는 것은 독립한 물 공급 및 물 공급 장치에 대한 필요성을 제거한다. Also, the production cost of the device 1 is reduced compared to the conventional power production equipment. In particular, the apparatus 1 of FIG. 1 eliminates the need for a heater and air blower to preheat and feed the oxidant gas for use in the cathode compartment, since the hydrogen-utilizing apparatus exhaust gas is already preheated to a suitable temperature. In addition, recycling the water from the anode exhaust gas to humidify the fuel passed through the anode compartment eliminates the need for an independent water supply and water supply.

전통적인 직접 연료 전지 발전소에 대한 도1의 장치(1)의 추가적인 개선은 자력 시동 능력, 부하 추종 능력(load-following capacity), 연료 이용 수준에 대한 민감성 및 수소 이용 장치 배출 가스로부터 기인한 발전소에서의 방출 물질의 감소를 포함한다. 특히 상기 장치는 보충적 연료를 사용하여 전력 생산을 위한 수소 이용 장치를 작동시킴으로써 연료 전지의 가열 동안 전력을 생산하여 제공할 수 있고 따라서 자력 시동 능력을 제공할 수 있다. 장치(1)의 부하 추종 능력은 수소 이용 장치(30) 및 그 전력 출력에 따라 연료를 변화시킴으로써 달성된다. 일반적으로 수소 이용 장치(30)는 어떤 역효과 없이 그 전력 출력을 빠르게 변화시킬 수 있는 장치이다. 또한 부하 추종은 연료 전지(2)로부터의 전력 출력 및 연료 전지로 보내지는 연료의 양을 변화시키고 제어함으로써 달성된다. 그러나 고온 연료 전지로부터의 출력은 장치에서 열응력을 회피하기 위하여 천천히 변화되어야 한다. 상기에 언급한 바와 같이, 수소 이용 장치로부터의 방출 물질들, 특히 NOx 방출 물질들은 NOx가 감소되는 연료 전지 음극 격실(2)에 산화제 가스를 제공하기 위하여 수소 이용 장치 배출 가스를 사용함으로써 및 연료 전지로부터의 희박 연료(lean fuel)로 수소 이용 장치를 가동함으로써 감소된다. 더 높은 효율 때문에, CO2 방출 물질들 또한 감소된다. 모든 배출 가스는 고온 연료 전지에서 나오기 때문에, 다른 방출 물질들(SOx, CO, NOx)은 연료 전지의 0값 근처인 일반값에서 본질적으로 변하지 않는다.A further improvement of the device 1 of FIG. 1 for a conventional direct fuel cell power plant is the ability of the power plant to operate at a power plant due to its magnetic starting capability, load-following capacity, sensitivity to fuel utilization levels, It includes the reduction of emissive material. In particular, the device can produce and provide power during heating of the fuel cell by operating a hydrogen-utilizing device for power production using supplemental fuel, thus providing a magnetic starting capability. The load following capability of the device 1 is achieved by varying the fuel according to the hydrogen utilization device 30 and its power output. Generally, the hydrogen-utilizing device 30 is a device capable of rapidly changing the power output thereof without any adverse effect. The load follow-up is also achieved by changing and controlling the power output from the fuel cell 2 and the amount of fuel sent to the fuel cell. However, the output from the hot fuel cell must be changed slowly to avoid thermal stress in the device. As mentioned above, the emission materials from the hydrogen-utilizing device, in particular the NOx emission materials, are produced by using the hydrogen-utilizing apparatus exhaust gas to provide the oxidizing agent gas to the fuel cell cathode compartment 2 where NOx is reduced, By operating the hydrogen utilization apparatus with lean fuel from the lean fuel. Because of the higher efficiency, the CO 2 emissions are also reduced. Since all the emissions are from a high temperature fuel cell, the other emissions (SOx, CO, NOx) do not change essentially from the normal value near the zero value of the fuel cell.

상기에 언급된 바와 같이, 도1의 수소 이용 장치(30)는 바람직하게는 내연 엔진 또는 디젤 엔진과 같은 CO 내피독성 엔진을 포함한다. 다른 예시적인 실시예에서, 상기 장치는 수소 이용 장치(30)로서 연소 터빈 장치, 복열식 터빈, 또는 마이크로터빈과 같은 다른 수소 이용 장치를 채용한다. 그러한 실시예에서, 최적의 효율을 달성하기 위하여 장치의 구성 및 그 배열은 변할 수 있고 추가적인 구성이 사용될 수 있다. 이러한 실시예들의 예시적인 실시예들은 도2에서 도4에 각각 도시되어 있다.As mentioned above, the hydrogen utilization apparatus 30 of FIG. 1 preferably includes a CO endotoxicity engine such as an internal combustion engine or a diesel engine. In another exemplary embodiment, the apparatus employs another hydrogen-utilizing device, such as a combustion turbine device, a reclaimed turbine, or a microturbine, as the hydrogen-utilizing device 30. In such an embodiment, the configuration and arrangement of the apparatus may be varied and additional configurations may be used to achieve optimum efficiency. Exemplary embodiments of these embodiments are shown in Figures 2 to 4, respectively.

도2는 수소 이용 장치로서 연소 터빈(130)을 사용하는 도1의 연료 전지 전력생산 장치의 예시적인 실시예를 보여준다. 도2에서 장치(100)의 작동 및 연료 전지와 수소 이용 장치(130)로의 연료와 다른 작동 물질들의 공급 및 흐름은 아래에 더 자세히 설명된 바와 같이 제어 장치(1A)를 사용하여 제어된다. 명확성과 단순함을 위하여 도2에 도시된 장치(100)는 선택적 저장 장치(32) 또는 선택적 수소 배출 경로(18)를 포함하지 않는다. 그러나 도2의 장치(100)는 도1의 장치(1)와 유사하게 저장 장치 및/또는 수소 배출 경로를 포함하도록 변형될 수 있다. Fig. 2 shows an exemplary embodiment of the fuel cell power production apparatus of Fig. 1 using combustion turbine 130 as a hydrogen utilization apparatus. 2, the operation of the device 100 and the supply and flow of fuel and other working materials to the fuel cell and the hydrogen-utilizing device 130 are controlled using the control device 1A as described in more detail below. For clarity and simplicity, the apparatus 100 shown in FIG. 2 does not include an optional storage device 32 or an optional hydrogen discharge path 18. In FIG. However, the device 100 of FIG. 2 may be modified to include a storage device and / or a hydrogen discharge path similar to the device 1 of FIG.

도2에 도시된 바와 같이, 장치(100)는 전해질(105)에 의해 분리된 양극 격실(103) 및 음극 격실(104)을 포함하는 고온 연료 전지(102)를 포함한다. 도1의 장치(1)에서와 같이, 연료는 연료를 양극 격실(103)로 전송하는 연료 공급 경로(106)에 공급된다. 도시된 바와 같이, 연료 공급 경로(106)는 연료로부터 황-함유 화합물을 제거하기 위해 연료를 탈황기(16A)를 통하여 보내고 연료를 가습하기 위해 물 전송 장치(109)의 물과 혼합하고 가습된 연료를 물이 증발되고 연료가 예열되는 제1 및 제2열 교환기(106B, 106C)를 통하여 보낸다. 도시된 바와 같이, 연료는 뜨거운 양극 배출 가스에 의해 제1열 교환기(106B)에서 및 뜨거운 음극 배출 가스에 의해 제2열 교환기(106C)에서 예열된다. 이때 연료 공급 경로(106)는 연료를 탈산기/전변환기(106D)를 통해 보내고 연료가 음극 배출 가스에 의해 가열되는 추가적인 열 교환기(106E)를 통하여 보내며, 그 후 양극 입구(103A)를 통하여 처리되고 예열되며 가습된 연료를 양극 격실(103)에 공급한다.As shown in FIG. 2, the apparatus 100 includes a high temperature fuel cell 102 that includes a cathode compartment 103 and a cathode compartment 104 separated by an electrolyte 105. As in the apparatus 1 of Fig. 1, the fuel is supplied to the fuel supply path 106, which transfers the fuel to the anode compartment 103. Fig. As shown, the fuel supply path 106 is configured to send fuel through the desulfurizer 16A to remove the sulfur-containing compound from the fuel, mix with the water in the water transfer device 109 to humidify the fuel, The fuel is sent through the first and second heat exchangers (106B, 106C) where water is evaporated and the fuel is preheated. As shown, the fuel is preheated in the first heat exchanger 106B by the hot anode exhaust gas and in the second heat exchanger 106C by the hot cathode exhaust gas. At this time, the fuel supply path 106 sends the fuel through the deacidizer / converter 106D and through the additional heat exchanger 106E where the fuel is heated by the cathode exhaust gas, and then through the anode inlet 103A And supplies the preheated and humidified fuel to the anode compartment 103.

반응하지 않은 수소, 일산화탄소, 수증기, 이산화탄소 및 미량의 다른 가스 를 포함하는 양극 배출 가스는 양극 출구(103B)를 경유하여 양극 격실(103)로부터 배출되고 양극 배출 경로(107)로 보내진다. 배출 경로(107)에서의 양극 배출 가스는 먼저 연료 공급 경로(106)에서의 연료를 가열하면서 제2열 교환기(106B)에서 냉각되고 이후 양극 배출 가스의 물이 남은 배출 화합물들로부터 분리되는 물 전송 장치(109)로 전송된다. 도시된 바와 같이, 이러한 실시예에서 물 전송 장치(109)는 도1의 물 전송 장치와 유사하고 양극 배출 가스에서 물을 압축하는 열 교환기(110), 양극 배출 가스의 다른 화합물로부터 물을 분리하고 물-분리된 양극 배출 가스를 배출하는 녹아웃 포트(11), 및 양극 배출 가스로부터 분리된 물을 압축하는 펌프(114)를 포함한다. 다른 적당한 물 전송 장치 또는 조합체도 양극 배출 가스로부터 물을 분리하는데 사용될 수 있다. The anode exhaust gas containing unreacted hydrogen, carbon monoxide, water vapor, carbon dioxide and a trace amount of other gas is discharged from the anode compartment 103 via the cathode outlet 103B and sent to the anode discharge path 107. The anode exhaust gas in the exhaust path 107 is first cooled in the second heat exchanger 106B while the fuel in the fuel supply path 106 is heated and then the water of the anode exhaust gas is separated from the remaining exhaust compounds And transmitted to the device 109. As shown, in this embodiment, the water transfer device 109 is similar to the water transfer device of FIG. 1 and includes a heat exchanger 110 for compressing water in the anode effluent gas, water separation from other compounds in the anode effluent gas A knockout port 11 for discharging the water-separated anode exhaust gas, and a pump 114 for compressing the water separated from the anode exhaust gas. Other suitable water transfer devices or assemblies may also be used to separate water from the anode effluent gas.

미량의 물과 전환되지 않은 탄화수소를 갖는 주로 수소 및 CO 연료와 CO2를 포함하는 물-분리된 양극 배출 가스는 물 전송 장치(109)로부터 양극 배출 경로(107)를 경유하여 연결 장치(141A)로 전송된다. 연결 장치(141A)는 물-분리된 양극 배출 가스를 연소 터빈(130)으로 이어지는 공급 경로(115) 및 연소 터빈(130)을 우회하는 우회 경로(120)에 선택적으로 연결하도록 배열된다. The water-separated anode effluent gas, which contains mainly hydrogen and CO fuel and CO 2 with a trace amount of water and unconverted hydrocarbons, is discharged from the water transfer device 109 via the anode discharge path 107 to the connecting device 141A, Lt; / RTI > The connecting device 141A is arranged to selectively connect the water-separated anode exhaust gas to the bypass 115 leading to the combustion turbine 130 and the bypass 120 bypassing the combustion turbine 130. [

도1에서와 같이, 연결 장치(141A)는 측정된 전력 수요에 기초하여 제어 장치(101A)의 제어기(141)에 의해 제어된다. 특히 제어기(141)는 장치의 작동 동안 대부분 시간에서 경로(107)에 있는 물-분리된 양극 배출 가스를 경로(115)에 선택적으로 연결하기 위해 연결 장치(141A)를 제어한다. 그러나 만약 탐지된 전력 수요 가 연료 전지(102)에 의해 생산된 전력보다 적다면, 제어기(141)는 경로(107)에 있는 물-분리된 양극 배출 가스 또는 그 일부를 우회 경로(120)에 선택적으로 연결하기 위해 연결 장치(141A)를 제어한다.1, the connecting device 141A is controlled by the controller 141 of the controller 101A based on the measured power demand. In particular, the controller 141 controls the connecting device 141A to selectively connect the water-separated anode exhaust gas in the path 107 to the path 115 at most times during operation of the apparatus. If, however, the detected power demand is less than the power produced by the fuel cell 102, then the controller 141 selects the water-separated anode effluent in path 107, or a portion thereof, And controls the connection device 141A to connect to the connection device 141A.

도2에 도시된 바와 같이, 경로(107)에 물-분리된 양극 배출 가스가 경로(115)에 연결될 때, 물-분리된 양극 배출 가스는 연결 장치(141A)로부터 물-분리된 양극 배출 가스를 압축하는 압축기(127)로 전송된다. 이때 압축된 물-분리된 양극 배출 가스는 압축기(127)로부터 연소 터빈(130)으로 전송된다. 또한 도시된 바와 같이, 보충적 연료는 보충적 연료 공급기(도시되지 않음)로부터 연결 경로(122)를 경유하여 연소 터빈(130)으로 제공될 수 있다. 특히, 압축된 물-분리된 양극 배출 가스는 터빈(130)에 공급되기 전에 연결 경로(122)로부터 보충적 연료와 혼합될 수 있다. 만약 보충적 연료가 낮은 압력에서 제공되면, 그것은 라인(115, 도시되지 않음)에 물-분리된 양극 배출 가스에 추가되어 물-분리된 양극 배출 가스와 같은 압축기(127)에서 압축될 수 있다. 또한 연결 경로(122)를 통하여 공급된 보충적 연료는 수소 이용 장치(30)의 전력 출력을 통제하기 위해 제어기(141)에 의해 제어된다. 보충적 연료의 사용은 매우 낮은 비용에서의 전체 장치 작동뿐만 아니라 수소 이용 장치의 작동에 큰 유연성을 제공한다. 더욱이, 보충적 연료는 촉매 연소를 요구하지 않도록 물-분리된 양극 배출 가스의 발열량(heating value)을 증가시키기 위하여 일정 장치에서 요구될 수 있다. As shown in Figure 2, when the water-separated anode effluent gas in path 107 is connected to path 115, the water-separated anode effluent gas is separated from the water- To the compressor 127, which compresses the refrigerant. At this time, the compressed water-separated anode exhaust gas is transferred from the compressor 127 to the combustion turbine 130. As also shown, the supplemental fuel may be provided to the combustion turbine 130 via a connection path 122 from a supplemental fuel supply (not shown). In particular, the compressed water-separated anode exhaust gas may be mixed with supplemental fuel from the connection path 122 before being supplied to the turbine 130. If supplemental fuel is provided at low pressure, it may be added to the water-separated anode exhaust gas in line 115 (not shown) and compressed in a compressor 127, such as a water-separated anode exhaust gas. The supplemental fuel supplied via the connection path 122 is also controlled by the controller 141 to control the power output of the hydrogen-utilizing device 30. [ The use of supplemental fuels provides great flexibility in the operation of the hydrogen utilization apparatus as well as the operation of the entire apparatus at very low cost. Moreover, the supplemental fuel may be required in certain devices to increase the heating value of the water-separated anode exhaust gas so as not to require catalytic combustion.

도2의 연소 터빈(130)은 압축기 부분(130A), 연소기 부분(130B), 및 터빈 부분(130C)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 압축기 부분(130A)은 공기 공급 경 로(121)로부터 공기의 형태로 산화제 가스를 수용하고 압축한다. 터빈(130)의 연소기 부분(130B)은 물-분리된 양극 배출 가스 또는 물-분리된 양극 배출 가스 및 공급 경로(115)로부터의 보충적 연료의 혼합물을 포함하는 연료를 수용하고 압축기 부분(130A)에 의해 압축된 압축 공기를 가열하기 위해 수용된 연료를 연소한다. 이때, 터빈 부분(130C)은 압축된 고온 공기 흐름으로부터 전력을 추출하고 추출된 전력과 N2, O2, CO2, H2O를 포함하는 저압 터빈 배출 가스 및 다른 연소되지 않은 탄화수소를 생산한다.The combustion turbine 130 of FIG. 2 includes a compressor portion 130A, a combustor portion 130B, and a turbine portion 130C. As shown, the compressor portion 130A receives and compresses the oxidant gas in the form of air from the air supply path 121. The combustor portion 130B of the turbine 130 receives fuel containing a mixture of water-separated anode exhaust gas or water-separated anode exhaust gas and supplemental fuel from the feed path 115, And burns the fuel contained therein to heat the compressed air compressed by the compressor. At this time, the turbine section (130C) produces a low pressure turbine exhaust gases and other non-burned hydrocarbons including the extracted power from the compressed high temperature air flow and extraction power, N 2, O 2, CO 2, H 2 O .

터빈(130)에 의해 배출된 터빈 배출 가스는 음극 산화제 가스 공급 경로(124)로 보내진다. 터빈 배출 가스 또는 경로(120)를 통해 우회한 어떤 물-분리된 양극 배출 가스 및 터빈 배출 가스의 혼합물은 공급 경로(124)에 의해 가스에서 연소되지 않은 어떤 탄화수소가 CO2 및 O2가 풍부한 산화제 가스를 생산하기 위해 산화되는 산화기(124A)로 전송된다. 이때 발생하는 산화제 가스는 연료 전지(102)의 음극 격실(104)에서 사용되는 음극 입구(104A)에 공급된다. 음극 격실(104)은 음극 출구(104B)를 통하여 사용된 산화제 가스를 포함하는 고온 음극 배출 가스를 배출하고 이후 음극 배출 가스를 냉각시키고 연료 공급 경로(106)에서 연료를 가열하기 위해 음극 배출 경로(128)에 의해 열 교환기(106C 및 106E)를 통하여 전송된다. 이때 냉각된 음극 배출 가스는 장치(100)를 나가고 추가적인 열 회수를 위해 부가적으로 사용될 수 있다. The turbine exhaust gas discharged by the turbine 130 is sent to the anode oxidizer gas supply path 124. A mixture of turbine exhaust gas or some water-separated anode exhaust gas and turbine exhaust gas bypassed through path 120 is formed by a supply path 124 in which any hydrocarbon not burned in the gas is oxidized by CO 2 and O 2 rich oxidants Is transferred to oxidizer 124A which is oxidized to produce a gas. The oxidant gas generated at this time is supplied to the cathode inlet 104A used in the cathode compartment 104 of the fuel cell 102. [ The cathode compartment 104 discharges the hot cathode exhaust gas containing the oxidizer gas used through the cathode outlet 104B and thereafter circulates the cathode exhaust gas to cool the cathode exhaust gas and heat the fuel in the fuel supply path 106 128 via heat exchangers 106C and 106E. The cooled cathode exhaust gas then exits the apparatus 100 and may additionally be used for additional heat recovery.

도시된 바와 같이, 배출 경로(128)에서 음극 배출 가스의 일부는 재생 송풍 기(126A)를 포함하는 음극 재생 경로(126)를 경유하여 음극 격실(104)로 되돌아가 재생될 수 있다. 재생 경로(126)에서 재생된 음극 배출 가스는 음극 입구(104A)에 제공되기 전에 경로(124)에서 산화제 가스와 혼합된다.As shown, a portion of the cathode effluent gas in the discharge path 128 may be regenerated back to the cathode compartment 104 via a cathode regeneration path 126 that includes a regenerative blower 126A. The cathode exhaust gas regenerated in the regeneration path 126 is mixed with the oxidant gas in the path 124 before being supplied to the cathode inlet 104A.

도1의 연료 전지 전력생산 장치의 다른 예시적인 실시예로 복열식 터빈(230)을 수소 이용 장치로 사용하는 장치(200)가 도3에 도시되어 있다. 이러한 실시예에서, 도1 및 도2에 도시된 것과 유사한 구성을 표시하는데 유사한 도면 번호가 사용된다. 도3에서 장치(200)의 작동에서, 연료 전지 및 수소 이용 장치(230)로의 연료 및 다른 작동 물질들의 흐름 및 공급은 제어 장치(1A)를 사용하여 제어된다. 도2에서와 같이, 선택적 저장 장치와 선택적 배출 경로 및 이와 관련된 장치 구성은 명확성과 간단함을 위해 도3에서 삭제되었다. 그러나 도3의 장치(200)는 도1의 장치(1)와 유사하게 저장 장치 및/또는 배출 경로를 포함하도록 변형될 수 있다. 복열식 터빈(230)의 사용은 폐열이 재생되지 않을 때 약 6%만큼 및 증기 터빈 보토밍 사이클에 의해 폐열이 재생될 때 약 1%만큼 장치의 효율을 개선하는 것을 기대할 수 있다. An apparatus 200 for using a recuperated turbine 230 as a hydrogen utilization apparatus as another exemplary embodiment of the fuel cell power generation apparatus of FIG. 1 is shown in FIG. In this embodiment, similar reference numerals are used to denote configurations similar to those shown in Figs. In operation of the apparatus 200 in FIG. 3, the flow and supply of fuel and other working materials to the fuel cell and the hydrogen utilizing apparatus 230 are controlled using the control apparatus 1A. As in FIG. 2, the optional storage device and optional exhaust path and associated device configurations have been eliminated in FIG. 3 for clarity and simplicity. However, the device 200 of FIG. 3 may be modified to include a storage device and / or an exhaust path similar to the device 1 of FIG. The use of the reclaimed turbine 230 can be expected to improve the efficiency of the apparatus by about 6% when the waste heat is not regenerated and by about 1% when the waste heat is regenerated by the steam turboting cycle.

도1 및 도2에 도시되고 상기에 설명된 앞의 실시예에서와 같이, 장치(200)는 전해질 매트릭스(205)에 의해 분리된 양극 격실(203)과 음극 격실(204)을 포함하는 연료 전지(202)를 포함한다. 이러한 예시적인 실시예에서, 연료 공급기(도시되지 않음)로부터 양극 격실(203)로 공급된 연료는 열 교환기(206C 및 206E)에서 단지 음극 배출 가스를 사용하여 예열된다. 도3에 도시된 바와 같이, 연료는 양극 격실(203)에 연료를 공급하는 연료 공급 경로(206)에 의해 전송된다. 연료 공급 경 로(206)에서, 연료는 탈황기(206A)에서 탈황되고 이후 가습된 연료를 생산하기 위해 물 전송 장치(209)로부터 물과 혼합된다. 도시된 바와 같이, 가습된 연료는 열 교환기(206C)에서 음극 배출 가스에 의해 예열되고 이후 연료로부터 미량의 어떤 산소 및 중 탄화수소 불순물을 제거하는 탈산기/전변환기(206D)에서 탈산되며, 또한 다른 열 교환기(206E)에서 음극 배출 가스에 의해 예열된다. 이때 예열된 연료는 열 교환기(206E)로부터 양극 입구(203A)를 통하여 양극 격실(203)로 제공된다. The apparatus 200 includes a fuel cell 200 including a positive electrode compartment 203 and a negative electrode compartment 204 separated by an electrolyte matrix 205 as shown in Figures 1 and 2 and described above in the previous embodiments described above. (202). In this exemplary embodiment, the fuel supplied from the fuel supply (not shown) to the anode compartment 203 is preheated using only the cathode exhaust gas in heat exchangers 206C and 206E. As shown in Fig. 3, the fuel is transferred by the fuel supply path 206 which supplies the fuel to the anode compartment 203. As shown in Fig. At the fuel supply path 206, the fuel is desulfurized in the desulfurizer 206A and then mixed with water from the water transfer device 209 to produce the humidified fuel. As shown, the humidified fuel is deoxidized in the desulfurizer / converter 206D, which is preheated by the cathode exhaust gas in the heat exchanger 206C and thereafter removes a trace of any oxygen and heavy hydrocarbon impurities from the fuel, And is preheated by the cathode exhaust gas in the heat exchanger 206E. At this time, the preheated fuel is supplied from the heat exchanger 206E to the anode compartment 203 through the anode inlet 203A.

양극 격실(203)에 제공된 연료 가스는 전력 및 양극 배출 가스를 생산하기 위해 전기화학 반응을 겪는다. 양극 배출 가스는 양극 격실(203)에 의해 양극 출구(203B)를 통하여 양극 배출 가스를 물 전송 장치(209)로, 이후 복열식 터빈(230)으로 전송하는 양극 배출 경로(207)로 배출된다. 아래에 자세히 설명된 바와 같이, 복열식 터빈(230)은 복열식 터빈에서 사용되는 음극 배출 가스 및 양극 배출 가스로부터 열을 재생하는 복열장치(231)를 포함한다. 도3에 도시된 바와 같이, 물 전송 장치(209)로 전송되기 전에, 배출 경로(207)에서 양극 배출 가스는 양극 배출 가스로부터 열이 재생됨으로써 배출 가스를 냉각시키는 터빈(230)의 복열장치(231)로 전송된다. 이때 냉각된 양극 배출 가스는 배출 경로(207)에 의해 도1 및 도2에 도시된 물 전송 장치(9 및 109)와 유사한 구성을 갖는 물 전송 장치(209)로 전송된다. 도시된 바와 같이, 물 전송 장치(209)는 각각 압축하고, 양극 배출 가스로부터 물을 분리하고 및 물을 압축하는 열 교환기(210), 녹아웃 포트(211) 및 펌프(214)를 포함한다. 또한 녹아웃 포트(211)는 양극 배출 가스의 남은 성분을 포함하는 물-분리된 양극 배출 가스를 배출한다. 다른 어떤 적당한 물 전송 장치 또는 조립체 가 도3에 도시된 장치(209) 대신에 사용될 수 있을 것이다. The fuel gas provided in the anode compartment 203 undergoes an electrochemical reaction to produce power and an anode exhaust gas. The anode exhaust gas is discharged to the anode discharge path 207 through the cathode compartment 203 through the anode outlet 203B and then to the water transfer device 209 and then to the recuperated turbine 230. [ As described in more detail below, the reclaimed turbine 230 includes a cathode discharge gas used in a recuperative turbine and a recuperator 231 for regenerating heat from the anode discharge gas. 3, the anode exhaust gas in the discharge path 207, before being transferred to the water transfer apparatus 209, is recovered from the anode exhaust gas by a recuperator (not shown) of the turbine 230 that cools the exhaust gas 231). At this time, the cooled anode exhaust gas is transferred to the water transfer device 209 having a configuration similar to the water transfer devices 9 and 109 shown in Figs. 1 and 2 by the discharge path 207. As shown, the water transfer device 209 includes a heat exchanger 210, a knockout port 211, and a pump 214, respectively, for compressing, separating water from the anode effluent gas and compressing the water. The knock-out port 211 also discharges a water-separated anode exhaust gas containing the remaining components of the anode exhaust gas. Any other suitable water transfer device or assembly may be used in place of the device 209 shown in FIG.

도3에 도시된 바와 같이, 양극 배출 가스로부터 분리된 물은 연료에 가습하기 위해 물을 연료 공급 경로(206)로 제공하는 물 공급 경로(213)로 전송된다. 특정 실시예에서, 과잉 물은 물 전송 장치(209)에 의해 생산되고 연결 경로(212)를 경유하여 장치(200) 외부로 전송된다. 주로 수소, CO, 및 CO2와 미량의 물 및 전환되지 않은 탄화수소를 포함하는 물-분리된 양극 배출 가스는 양극 배출 경로(207)에 의해 물 전송 장치(209)로부터 연결 장치(241A)로 전송된다. 도1 및 도2에 도시된 실시예에서와 같이, 연결 장치(241A)는 물-분리된 양극 배출 가스를 복열식 터빈(230)으로 이어지는 공급 경로(215) 및 터빈(230)을 우회하는 우회 경로(220)에 선택적으로 연결하기 위해 제어 장치(200A)의 제어기(241)에 의해 제어된다.3, the water separated from the anode exhaust gas is transferred to a water supply path 213 which supplies water to the fuel supply path 206 for humidifying the fuel. In a particular embodiment, the excess water is produced by the water transfer device 209 and is transferred out of the device 200 via the connection path 212. The water-separated anode effluent gas, which mainly comprises hydrogen, CO, and CO 2 and trace amounts of water and unconverted hydrocarbons, is transported from the water transfer apparatus 209 to the connection apparatus 241A by the anode discharge path 207 do. As in the embodiment shown in Figures 1 and 2, the connecting device 241A includes a water-separated anode effluent gas to bypass the feed path 215 leading to the recuperated turbine 230, And is controlled by the controller 241 of the control device 200A for selectively connecting to the path 220. [

연결 장치(241A)에 의해 공급 경로(215)로 선택적으로 연결되는 물-분리된 양극 배출 가스는 물-분리된 양극 배출 가스가 압축되고 그 후 터빈(230)에 제공되는 압축기(227)로 전송된다. 또한 압축된 물-분리된 양극 배출 가스는 터빈에 제공되기 전에 보충적 연료 공급 경로(222)를 경유하여 제공된 보충적 연료와 혼합될 수 있다. The water-separated anode effluent gas selectively connected to the supply path 215 by the connecting device 241A is sent to the compressor 227 where the water-separated anode effluent gas is compressed and then provided to the turbine 230 do. The compressed water-separated anode exhaust gas may also be mixed with the supplemental fuel provided via the supplemental fuel supply path 222 before being provided to the turbine.

도3에 도시된 바와 같이, 복열식 터빈(230)은 압축기 부분(230A), 연소기 부분(230B), 터빈 부분(230C) 및 복열기(231)를 포함한다. 압축기 부분(230A)은 공기 공급 경로(221)로부터 공기의 형태로 산화제 가스를 받아 그 공기를 압축시키고, 반면에 연소기 부분(230B)은 물-분리된 양극 배출 가스 또는 물-분리된 양극 배출 가스의 혼합물 및 보충적 연료를 포함하는 연료를 받아 압축된 공기를 가열하기 위해 그 받은 연료를 연소한다. 상기에 언급된 바와 같이, 복열기(231)는 압축된 공기에 추가적인 열을 공급하기 위해 음극 배출 가스로부터 및 양극 배출 가스로부터 열 에너지를 회수한다. 이때 터빈 부분(230C)은 가열된 압축된 공기로부터 전력을 끌어내어 배출한다. 복열기(231)를 포함하는 복열식 터빈(230)의 사용은 연료 전지 배출 가스로부터 열 에너지의 회수 결과로써 전력 생산 및 추가적인 효율을 가져온다.3, the reclaimed turbine 230 includes a compressor portion 230A, a combustor portion 230B, a turbine portion 230C, and a heat exchanger 231. The compressor portion 230A, Compressor portion 230A receives oxidant gas in the form of air from air supply path 221 to compress the air, while combustor portion 230B condenses the water-separated anode exhaust gas or water- Lt; RTI ID = 0.0 > fuel < / RTI > containing supplemental fuel and combusts the fuel it receives to heat the compressed air. As mentioned above, the heat recovery unit 231 recovers thermal energy from the cathode exhaust gas and from the anode exhaust gas to supply additional heat to the compressed air. The turbine portion 230C then draws power from the heated compressed air and discharges it. The use of recuperative turbine 230, including recuperator 231, results in power generation and additional efficiency as a result of the recovery of thermal energy from the fuel cell exhaust gas.

도시된 바와 같이, 복열식 터빈(230)은 주로 N2, CO2, O2 및 연소되지 않은 어떤 탄화수소를 포함하는 터빈 배출 가스를 배출한다. 이러한 터빈 배출 가스는 연료 전지 음극(204)에 사용하기 적당한 CO2 및 O2가 풍부한 산화제 가스를 생산하기 위해 및 배출 가스에서 연소되지 않은 어떤 탄화수소를 산화시키기 위해 산화기(224A)를 통과하여 터빈 배출 가스 또는 터빈 배출 가스 및 우회 경로(220)로부터 우회된 양극 배출 가스의 혼합물을 운반하는 음극 산화제 가스 경로(224)로 보내진다. 산화제 가스는 음극 입구(204A)를 통하여 음극 격실(204)에 제공된다.As shown, the recuperated turbine 230 primarily discharges turbine exhaust gas including N 2 , CO 2 , O 2, and any unburned hydrocarbons. This turbine exhaust gas passes through oxidizer 224A to produce CO 2 and O 2 enriched oxidant gas suitable for use in fuel cell cathode 204 and to oxidize any unburned hydrocarbons in the exhaust gas, To the anode oxidant gas path 224, which carries a mixture of the off-gas or turbine off-gas and the off-gas off-gas from the bypass 220. The oxidant gas is supplied to the cathode compartment 204 through the cathode inlet 204A.

음극 출구(204B)를 통하여 음극(204)에서 배출된 고온 음극 배출 가스는 연료 공급 경로(206)에서 연료를 예열하고 음극 배출 가스를 냉각시키기 위해 열 교환기(206C 및 206E)를 통하여 음극 배출 경로(228)에 의해 운반된다. 열 교환기(206C 및 206E)에서 냉각된 후, 음극 배출 가스는 배출 가스에 남아있는 열 에너지가 음극 배출 가스를 더욱 냉각시킴으로써 회수되는 복열기(231)로 보내진다. 복 열기(231)를 통과한 후, 음극 배출 가스는 장치(200) 외부로 운반된다. 부가로, 도1 및 도2의 장치(1) 및 장치(100)에서와 같이, 배출 경로(228)에 있는 음극 배출 가스의 일부는 음극(204)으로 돌아가 재생될 수 있다. 음극 재생 송풍기(226A)를 포함하는 음극 재생 경로(226)는 재생된 음극 배출 가스를 재생된 음극 배출 가스가 산화기(224A)로부터 산화제 가스와 결합되는 경로(224)로 운반된다. The hot cathode exhaust gas discharged from the cathode 204 through the cathode outlet 204B is supplied to the cathode exhaust path (not shown) through the heat exchangers 206C and 206E to preheat the fuel in the fuel supply path 206 and cool the cathode exhaust gas 228 < / RTI > After cooling in the heat exchangers 206C and 206E, the cathode exhaust gas is sent to the recuperator 231 where the heat energy remaining in the exhaust gas is recovered by further cooling the cathode exhaust gas. After passing through the heat exchanger 231, the cathode exhaust gas is carried out of the apparatus 200. In addition, as in the apparatus 1 and apparatus 100 of FIGS. 1 and 2, a portion of the cathode exhaust gas in the discharge path 228 may be regenerated back to the cathode 204. The cathode regeneration path 226 including the cathode regeneration blower 226A is transported to the path 224 where the regenerated cathode exhaust gas is regenerated from the oxidizer 224A to the oxidizer gas.

또한 도1 내지 도3에 도시된 연료 전지 전력생산 장치는 도2 및 도3에 도시된 것들과 유사한 구성을 사용하여 수소 이용 장치로서 마이크로터빈을 사용하여 변형될 수 있다.The fuel cell power production apparatus shown in Figs. 1 to 3 can also be modified using a microturbine as a hydrogen utilization apparatus using a configuration similar to that shown in Figs. 2 and 3. Fig.

도4에 도시된 바와 같이 열 회수의 선택적 방법이 사용될 수 있다. 수소 이용 장치로서 마이크로터빈(330)과 같은 터빈을 사용하는 연료 전지 전력생산 장치(300)의 예시적인 실시예가 도4에 도시된다.An optional method of heat recovery can be used as shown in FIG. An exemplary embodiment of a fuel cell power production system 300 using a turbine such as a microturbine 330 as a hydrogen utilization device is shown in FIG.

도시된 바와 같이, 전력생산 장치(300)는 마이크로터빈(330)과 통합된 고온 연료 전지(302)를 포함하고, 장치(300)의 작동과 연료 전지(302) 및 마이크로터빈(330)으로의 연료 및 다른 작동 물질의 공급 및 흐름은 아래에 더 자세히 설명된 바와 같이 제어 장치(300A)를 사용하여 제어된다. 명확성과 간결성을 위해, 도4의 장치(300)는 선택적 저장 장치(32), 선택적 수소 배출 경로(18) 또는 마이크로터빈을 우회하는 우회 경로를 포함하지 않는다. 그러나 장치(300)는 도1의 장치(1)와 유사하게 관련된 구성요소 및 특징을 포함하도록 변형될 수 있다.As shown, the power generation apparatus 300 includes a high temperature fuel cell 302 integrated with a microturbine 330 and is operable to control the operation of the apparatus 300 and the operation of the fuel cell 302 and the microturbine 330, The supply and flow of fuel and other working materials are controlled using the control device 300A as described in more detail below. For clarity and brevity, the device 300 of FIG. 4 does not include an optional storage device 32, a selective hydrogen discharge path 18, or a bypass path that bypasses a microturbine. However, the device 300 may be modified to include related components and features similar to the device 1 of FIG.

도4에 도시된 바와 같이, 연료 전지 전력생산 장치(300)는 전해질 매트릭스(305)에 의해 분리된 양극 격실(303)과 음극 격실(304)을 포함하는 고온 연료 전 지(302)를 포함한다. 연료 전지(302)의 양극 격실(303)은 연료 공급 경로(306)에 의해 운반된 연료 공급(도시되지 않음)으로부터 연료가 공급된다. 도시된 바와 같이, 연료 공급 경로(306)로 운반된 연료는 탈황기(306A)에서 탈황되고 이후 물과 혼합되어 가습 열 교환기(306C)에서 예열된다. 또한 열 교환기(306C)는 위에 더 자세히 설명된 바와 같이 물 공급 경로(313)로부터 재생된 물을 받고 음극 배출 가스에 저장된 열에너지를 회수하기 위해 음극 배출 가스를 열 교환기(306C)에 통과시킴으로써 연료 및 물 혼합물의 예열이 달성된다. 연료가 양극 배출 가스로부터 열을 회수함으로써 더 예열되고 이후 연료로부터 어떤 미량의 산소 및 중탄화수소 오염물질을 제거하는 탈산기/전변환기(306D)에서 탈산되는 다른 열 교환기(306B)에 가습된 연료가 통과된다. 이때 탈산된 연료는 양극 입구(303A)를 통해 양극(303)으로 공급된다. 4, the fuel cell power production apparatus 300 includes a high temperature fuel cell 302 including a cathode compartment 303 and a cathode compartment 304 separated by an electrolyte matrix 305 . The anode compartment 303 of the fuel cell 302 is supplied with fuel from a fuel supply (not shown) carried by the fuel supply path 306. As shown, the fuel carried in the fuel supply path 306 is desulfurized in the desulfurizer 306A and then mixed with the water and preheated in the humidifying heat exchanger 306C. The heat exchanger 306C also receives the regenerated water from the water feed path 313 and passes the cathode exhaust gas through the heat exchanger 306C to recover the heat energy stored in the cathode exhaust gas, as described in more detail above, Preheating of the water mixture is achieved. The fuel is preheated by withdrawing heat from the anode effluent and thereafter the humidified fuel in the other heat exchanger 306B, which is deoxidized in the deacidizer / converter 306D, which removes any traces of oxygen and heavy hydrocarbon contaminants from the fuel Is passed. At this time, the deoxidized fuel is supplied to the anode 303 through the anode inlet 303A.

양극 격실에서, 연료는 전기화학 반응을 하고 사용된 연료는 양극 배출 가스로써 양극 출구(303B)를 통하여 양극 격실을 떠난다. 양극 배출 가스는 양극 출구(303B)로부터 양극 배출 경로(307)에 의해 운반되고 배출 가스를 물 전송 장치(309)로 운반하기 전에 양극 배출 가스를 냉각시키기 위해 열 교환기(307A 및 307B)에 통과시킨다. 이러한 예시적인 실시예에서, 물 전송 장치(309)는 양극 배출 가스로부터 물을 분리하고 압축하는 냉각기(309A) 및 냉각기(309A)에 의해 분리된 물의 압력을 증가시키는 펌프(309B)를 포함한다. 이때 전송 장치(309)에 의해 분리된 물은 물 공급 경로(313)에 의해 운반되어 가습 열 교환기(306C)에 공급된다. 또 한 냉각기(309A)는 양극 배출 가스의 남은 성분, 즉 수소, CO2 및 물과 CO의 미량을 포함하는 물-분리된 양극 배출 가스를 배출한다.In the anode compartment, the fuel undergoes an electrochemical reaction and the spent fuel leaves the anode compartment through anode outlet 303B as anode exhaust gas. The anode exhaust gas is carried by the anode exhaust path 307 from the anode outlet 303B and passed through the heat exchangers 307A and 307B to cool the anode exhaust gas before delivering the exhaust gas to the water transfer device 309 . In this exemplary embodiment, the water transfer device 309 includes a cooler 309A for separating and compressing water from the anode effluent gas and a pump 309B for increasing the pressure of the water separated by the cooler 309A. At this time, the water separated by the transfer device 309 is carried by the water supply path 313 and supplied to the humidifying heat exchanger 306C. Cooler 309A also discharges the remaining components of the anode effluent gas, i.e., water-separated anode effluent gas comprising hydrogen, CO 2 and trace amounts of water and CO.

물 전송 장치(309)의 구성은 도4에 도시된 배열에 한정되지 않는다는 것을 알 수 있다. 예를 들어, 도1 내지 도3에 도시된 물 전송 장치 또는 어떤 다른 적당한 물 전송 장치 또는 조립체가 도4에 도시된 물 전송 장치(309)에 대신하여 사용될 수 있다. 더욱이, 명확성 및 간결성을 위해 비록 도4에 도시되진 않았지만, 과잉 물은 물 배출 경로를 경유하여 장치(300) 외부로 배출될 수 있다. It can be seen that the configuration of the water transfer device 309 is not limited to the arrangement shown in Fig. For example, the water transfer apparatus shown in Figs. 1-3, or any other suitable water transfer apparatus or assembly can be used in place of the water transfer apparatus 309 shown in Fig. Furthermore, although not shown in FIG. 4 for clarity and brevity, the excess water may be discharged out of the apparatus 300 via a water discharge path.

물-분리된 양극 배출 가스는 양극 배출 경로(307)에 의해 물 전송 장치(309) 외부로 운반된다. 특정 예시적인 실시예에서, 보충적 연료 공급(도시되지 않음)으로부터 보충적 연료는 보충적 연료 공급 경로(322)를 경유하여 물-분리된 양극 배출 가스에 첨가된다. 물-분리된 양극 배출 가스에 첨가된 보충적 연료의 양은 보충적 연료가 연료 전지(302)에 의해 생산된 전력에 의해 초과되는 낮은 전력 수요 동안 첨가되지 않고 보충적 연료의 사전 선택된 양은 높은 전력 수용 동안 물-분리된 양극 배출 가스에 첨가되게 제어되도록 탐지된 전력 수요에 기초하여 제어 장치(300A)의 제어기(341)에 의해 제어된다. 물-분리된 양극 배출 가스 또는 물-분리된 양극 배출 가스 및 보충적 연료의 혼합물은 압축하는 양극 부스트 압축기(327)에, 이후 압축된 물-분리된 양극 배출 가스 또는 물-분리된 양극 배출 가스 및 보충적 연료의 혼합물이 양극(303)으로부터의 고온 배출 가스에 의해 가열되는 열 교환기(307A)에 운반된다. The water-separated anode exhaust gas is conveyed outside the water transfer device 309 by the anode exhaust path 307. In a particular exemplary embodiment, supplemental fuel from a supplemental fuel supply (not shown) is added to the water-separated anode effluent gas via supplemental fuel supply path 322. The amount of supplemental fuel added to the water-separated anode effluent is not added during low power demand where the supplemental fuel is exceeded by the power produced by the fuel cell 302, and the preselected amount of supplemental fuel is the water- Is controlled by the controller 341 of the control device 300A based on the detected power demand to be controlled to be added to the separated anode exhaust gas. The mixture of water-separated anode effluent gas or water-separated anode effluent gas and supplemental fuel is then fed to a compressing anode-side boost compressor 327, followed by a compressed water-separated anode effluent gas or water- A mixture of supplemental fuels is conveyed to the heat exchanger 307A which is heated by the hot exhaust gas from the anode 303. [

압축되고 가열된 물-분리된 양극 배출 가스 또는 압축되고 가열된 물-분리된 양극 배출 가스 및 보충적 연료의 혼합물은 이때 공급 경로(321)로부터 공기의 형태로 압축되고 예열된 산화제 가스를 수용하는 산화기(325)로 운반된다. 특히, 공기는 경로(321)로부터 공기가 압축되고 음극 배출 가스에 의해 열 교환기(328A)에서 압축된 공기가 더 가열되는 마이크로터빈(330)의 압축기 부분(330A)으로 공급된다. 압축된 공기의 추가적인 가열은 시동 히터(321A)에 의해 이루어질 수 있으나 일반적으로 그 히터는 보충적 연료가 사용될 수 없는 상태에서 터빈을 시동할 때에만 사용된다. 이때, 압축되고 가열된 공기는 고온의 압축된 산화제 가스를 생산하기 위해 생긴 혼합물을 산화하는 산화기(325)에서 물-분리된 양극 배출 가스 또는 물-분리된 양극 배출 가스 및 보충적 연료의 혼합물과 결합된다. 이때, 마이크로터빈(330)의 터빈 부분(330B)은 산화기에서 생산된 고온 압축 가스로부터 전력을 추출하고 주로 CO2 및 O2를 포함하는 마이크로터빈 배출 가스 및 추출된 전력을 배출한다. 연료 전지가 높은 연료 효율에서 작동되고 보충적 연료가 효율을 극대화하기 위해 사용되지 않는 경우에, 물-분리된 양극 배출 가스는 열 함량이 매우 낮고 물-분리된 양극 배출 가스의 완전 연소를 촉진하기 위해 촉매를 포함하는 산화기(325)를 요구한다.A mixture of compressed and heated water-separated anode effluent gas or compressed and heated water-separated anode effluent gas and supplemental fuel is then compressed from the feed path 321 in the form of air and oxidized to receive the preheated oxidant gas Lt; / RTI > In particular, the air is supplied from the path 321 to the compressor portion 330A of the microturbine 330 where the air is compressed and the compressed air in the heat exchanger 328A is further heated by the cathode exhaust gas. Additional heating of the compressed air may be accomplished by the starter heater 321A, but in general the heater is only used when starting the turbine with no supplemental fuel available. At this time, the compressed and heated air is mixed with a water-separated anode exhaust gas or water-separated anode exhaust gas and a mixture of supplemental fuel in an oxidizer (325) oxidizing the mixture produced to produce a hot compressed oxidant gas . At this time, the turbine portion 330B of the microturbine 330 extracts electric power from the hot compressed gas produced in the oxidizer and discharges the microturbine exhaust gas and extracted electric power mainly containing CO 2 and O 2 . When the fuel cell is operated at high fuel efficiency and the supplemental fuel is not used to maximize efficiency, the water-separated anode exhaust gas has a very low heat content and is used to promote complete combustion of the water- And an oxidizer 325 comprising a catalyst.

연료 전지에 사용하기 적당한 산화제 가스를 포함하는 마이크로터빈 배출 가스는 음극 산화제 가스 경로(324)에 의해 마이크로터빈(330)으로부터 음극 입구(304A)를 통하여 음극 격실(304)로 운반된다. 음극(304)을 통과한 후, 사용된 산 화제 가스를 포함하는 고온 음극 배출 가스는 음극(304)으로부터 음극 출구(304B)를 통하여 음극 배출 경로(328)로 배출된다. 이러한 음극 배출 가스는 마이크로터빈의 압축기 부분(330A)을 떠나는 압축된 공기를 예열하는 열 교환기(328A)를 통과함으로써 냉각되고 이후 연료 공급 경로(306)에서 연료를 가습하고 예열하는 가습 열 교환기에서 더욱 냉각된다. 이때 냉각된 음극 배출 가스는 장치(300) 외부로 배출되고 추가적인 열 회수에 사용될 수 있다. The micro turbine offgas containing the oxidant gas suitable for use in the fuel cell is carried from the microturbine 330 to the cathode compartment 304 through the cathode inlet 304A by the cathode oxidant gas path 324. After passing through the cathode 304, the hot cathode exhaust gas containing the used oxidizing agent gas is discharged from the cathode 304 to the cathode discharge path 328 through the cathode outlet 304B. This cathode exhaust gas is cooled by passing through a heat exchanger 328A that preheats the compressed air leaving the compressor section 330A of the microturbine, and then in a humidifying heat exchanger that humidifies and preheats the fuel in the fuel supply path 306 And cooled. The cooled cathode exhaust gas is then discharged outside the apparatus 300 and may be used for additional heat recovery.

상기에 설명된 다른 실시예에서와 같이, 음극 배출 가스의 일부는 재생 송풍기(326A)를 포함하는 음극 재생 경로(326)를 경유하여 다시 음극(304)으로 돌아가 재생될 수 있다. 재생된 음극 배출 가스는 음극 입구(304A)로 제공되기 전에 경로(324)에서 산화제 가스와 혼합된다. As in the other embodiments described above, a portion of the cathode exhaust gas can be regenerated back to the cathode 304 via the anode regeneration path 326 including the regenerative blower 326A. The regenerated cathode exhaust gas is mixed with oxidant gas in path 324 before being provided to cathode inlet 304A.

도2 내지 도4에 도시된 상기 설명된 실시예는 도1에 도시된 장치(1)와 같은 유사한 효율 및 개량을 낳는다. 도1의 장치와 같이 도2 내지 도4에 도시된 실시예는 음극에 산화제 가스를 제공하기 위해 수소 이용 장치 배출 가스를 이용하고 연료로 양극 배출 가스의 물을 재생함으로써 물 공급 장치 및 산화제 가스 공급 장치에 대한 필요를 제거한다. 추가적으로, 도2 내지 도4의 실시예는 연료 전지에 의해 생산된 양극 및 음극 배출 가스로부터 열을 효과적으로 회수하여 독립한 가열 장치에 대한 필요를 감소시킨다.The above-described embodiment shown in Figs. 2 to 4 results in similar efficiencies and improvements such as the device 1 shown in Fig. The embodiment shown in Figs. 2 to 4, like the apparatus of Fig. 1, utilizes a hydrogen-utilizing apparatus exhaust gas to provide oxidant gas to the cathode and regenerates the water of the anode exhaust gas with fuel, Eliminates the need for a device. Additionally, the embodiments of FIGS. 2-4 effectively recover heat from the anode and cathode exhaust gases produced by the fuel cell, thereby reducing the need for independent heating devices.

도1의 연료 전지 전력생산 장치는 장치 외부로의 배출을 위한 또는 장치에 의한 사용을 위한 증가된 수소 생산을 위해 부가로 변형될 수 있다. 도5는 양극 배출 가스로부터 수소 연료를 추출하고 배출하기 위해 추가적인 구성요소를 포함하도 록 변형된 연료 전지 전력생산 장치(400)를 도시한다. The fuel cell power production apparatus of Figure 1 may be further modified for discharge to the outside of the apparatus or for increased hydrogen production for use by the apparatus. 5 shows a fuel cell power production apparatus 400 modified to include additional components for extracting and discharging hydrogen fuel from the anode effluent gas.

도5에 도시된 바와 같이, 장치(400)는 고온 연료 전지(402) 및 수소 이용 장치(430)를 포함한다. 이러한 예시적인 실시예에서, 고온 연료 전지(402)는 탄산염 연료 전지이고 수소 이용 장치(430)는 내연 기관과 같은 저온 CO2 및 CO 내피독성 엔진이다. 다른 유형의 고온 연료 전지 및 다른 유형의 수소 이용 장치가 본 발명의 범위 내에서 고려될 수 있다. 또한 도5의 연료 전지 전력생산 장치(400)는 양극 배출 가스에 CO를 H2로 변환하는 쉬프트 반응기와 양극 배출 가스에서 물을 전송하고 물-분리된 양극 배출 가스를 배출하는 물 전송 장치(409)와 물-분리된 양극 배출 가스로부터 수소를 전송하는 수소 전송 장치(450)와 장치(400) 외부로 분리된 수소를 배출하는 배출 경로(418)를 포함한다. 아래에 설명된 바와 같이, 연료 전지 전력생산 장치(400)의 작동과 연료 전지 및 수소 이용 장치로의 연료 및 공기의 흐름은 제어 장치(401A)를 사용하여 제어된다. As shown in FIG. 5, the apparatus 400 includes a high temperature fuel cell 402 and a hydrogen utilization device 430. In this exemplary embodiment, the high temperature fuel cell 402 is a carbonate fuel cell and the hydrogen utilization device 430 is a low temperature CO 2 and CO endotoxicity engine, such as an internal combustion engine. Other types of high temperature fuel cells and other types of hydrogen utilization devices may be considered within the scope of the present invention. The fuel cell power production apparatus 400 of FIG. 5 also includes a shift reactor for converting CO to H 2 in the anode exhaust gas, a water transfer device 409 for transferring water in the anode exhaust gas and discharging the water- A hydrogen transfer device 450 for transferring hydrogen from the water-separated anode effluent gas, and a discharge path 418 for discharging the hydrogen separated out of the device 400. As described below, the operation of the fuel cell power production apparatus 400 and the flow of fuel and air to the fuel cell and the hydrogen-utilizing apparatus are controlled using the control device 401A.

도5에 도시된 바와 같이, 장치(400)의 고온 연료 전지(402)는 전해질 매트릭스(405)에 의해 분리된 양극(403) 및 음극(404)을 포함한다. 탄화수소-함유 연료는 연료 공급(명확성 및 간결성을 위해 도시되지 않음)으로부터 양극(403)의 입구(403A)에 연료를 공급하는 연료 공급 경로(406)에 공급된다. 특히, 연료 공급 경로(406)에 의해 운반된 연료는 고온 연료 전지 장치에서 탄소 침전물의 형성을 방지하고 연료를 가습하기 위해 물 공급 경로(413)로부터의 물과 결합되고 이후 제1열 교환기(406A)에서 음극 배출 가스에 의해 예열된다. 예열되고 가습된 연료는 연 료로부터 중탄화수소 및 어떤 미량 산소 불순물을 제거하기 위한 탈산기/전변환기 유닛을 포함하는 처리 장치(406B)를 통하여 공급 경로(406)에 의해 운반되고 이후 연료가 양극 입구(403A)에 공급되기 전에 음극 배출 가스에 의해 부가적으로 예열되는 제2열 교환기(406C)를 통하여 운반된다. 5, the high temperature fuel cell 402 of the apparatus 400 includes a cathode 403 and a cathode 404 separated by an electrolyte matrix 405. The hydrocarbon-containing fuel is supplied from the fuel supply (not shown for the sake of clarity and simplicity) to the fuel supply path 406 for supplying fuel to the inlet 403A of the anode 403. In particular, the fuel carried by the fuel supply path 406 is combined with the water from the water supply path 413 to prevent the formation of carbon deposits in the high temperature fuel cell device and to humidify the fuel, and then to the first heat exchanger 406A ) By the cathode exhaust gas. The preheated and humidified fuel is carried by the feed path 406 through a treatment device 406B that includes a dehydrogenation / conversion unit for removing heavy hydrocarbons and some trace oxygen impurities from the fuel, (406C) which is additionally preheated by the cathode off-gas before being supplied to the second heat exchanger (403A).

양극(403)에 들어가는 연료는 전력 및 양극 배출 가스를 생산하기 위해 음극(404)의 산화제 가스와 양극(403)에서 전기화학 반응을 한다. 양극 배출 가스는 양극(403)으로부터 양극 입구(403B)를 통하여 양극 배출 경로(407)로 배출된다. 경로(407)에 양극 배출 가스는 미반응 수소, 일산화탄소, 수증기, 이산화탄소 및 미량의 다른 가스를 포함한다. 경로(407)에 의해 운반된 양극 배출 가스는 양극 배출 가스를 쉬프트 반응기(426)로 통과하기 전에 양극 배출 가스를 부분적으로 냉각하기 위해 먼저 경로(427)로부터의 물과 혼합된다. 쉬프트 반응기(426)로 통과시키기 전에 양극 배출 가스를 냉각하는 것은 평형 이동 혼합물이 CO의 H2로의 변환을 지지하기 위하여 요구된다. 또한 냉각은 열 교환기(425B)와 같은 열 교환기에 의해 이루어질 수 있다. 비록 가스의 이동이 요구되는 것은 아니지만, 배출될 수 있는 수소의 양을 증가시킨다. 쉬프트 반응기(426)를 통과한 후, 양극 배출 가스는 물 전송 장치(409)에 운반된다. The fuel entering the anode 403 undergoes an electrochemical reaction with the oxidant gas of the cathode 404 at the anode 403 to produce power and anode exhaust gas. The anode exhaust gas is discharged from the anode 403 to the anode discharge path 407 through the anode inlet 403B. In route 407, the anode effluent gas contains unreacted hydrogen, carbon monoxide, water vapor, carbon dioxide, and a minor amount of other gases. The anode effluent gas carried by path 407 is first mixed with water from path 427 to partially cool the anode effluent gas before passing the anode effluent gas to shift reactor 426. [ Cooling the anode effluent gas before passing it to the shift reactor 426 is required to support the equilibrium mobile mixture to convert the CO to H 2 . Cooling may also be accomplished by a heat exchanger, such as heat exchanger 425B. Although gas movement is not required, it increases the amount of hydrogen that can be discharged. After passing through the shift reactor 426, the anode exhaust gas is conveyed to the water transfer device 409.

수소 및 물-분리된 양극 배출 가스의 배출은 연료 형태로 장치에서 열을 제거하기 때문에, 추가적인 열이 보충적으로 연료공급된 수소 이용 장치의 폐열에 의해 제공되므로 보충적 연료를 사용하는 수소 이용 장치를 구비한 장치와 수소 전송 장치를 통합하는 것은 가용의 열에 의해 제한됨이 없이 수소 배출량을 증가시킨다. Since the discharge of the hydrogen and water-separated anode exhaust gas removes heat from the apparatus in the form of fuel, additional heat is provided by the waste heat of the supplemented fueled hydrogen utilization apparatus, thereby providing a hydrogen utilization apparatus using supplemental fuel Integrating a device with a hydrogen transfer device increases hydrogen emissions without being limited by available heat.

이러한 예시적인 실시예에서 물 전송 장치(409)는 열 교환기(410), 물 녹-아웃 포트(411), 및 물 펌프(414)를 포함한다. 물 전송 장치(409)에 제공된 양극 배출 가스는 양극 배출 가스에 존재하는 물을 압축하기 위해 열 교환기(410)에서 먼저 냉각되고 양극 배출 가스의 남은 성분을 포함하는 가스 및 물의 혼합물은 물이 가스로부터 분리되고 물-분리된 양극 배출 가스가 양극 배출 경로(407)로 배출되는 물 녹-아웃 포트(411)에 통과된다. 양극 배출 가스로부터 분리된 물은 물의 압력을 증가시키는 물 펌프(414)로 배출되고 이후 과잉 물이 경로(412)를 경유하여 배출되면서 필요할 때 분리된 물을 물 공급 경로(413)로 통과시킴으로써 경로(406)에서 연료 전지로 가서 재생된다. 또한 물의 일부는 경로(427)를 사용하여 양극 배출 가스를 쉬프트 유닛(426)에 통과시키기 전에 양극 배출 가스를 냉각시키는데 재활용된다. 경로(427)로 재생된 물의 양은 양극 배출 가스의 원하는 입구 온도를 쉬프트 유닛에 제공하도록 조절된다. 물 전송 장치(409)의 배열은 도시된 배열에 제한되지 않고 충전탑과 같이 다른 적당한 물 전송 장치 또는 조립체가 도5에 도시된 물 펌프 및 물 녹-아웃 포트를 대신하여 사용될 수 있다.In this exemplary embodiment, the water transfer device 409 includes a heat exchanger 410, a water rust-out port 411, and a water pump 414. The anode effluent gas provided to the water transfer apparatus 409 is first cooled in the heat exchanger 410 to compress the water present in the anode effluent gas and a mixture of gas and water containing the remaining components of the anode effluent gas is withdrawn from the gas The separated and water-separated anode exhaust gas is passed through the water rust-out port 411, which is discharged to the anode discharge path 407. The water separated from the anode exhaust gas is discharged to the water pump 414 which increases the pressure of the water, and thereafter the excess water is discharged via the path 412, and when necessary passes the separated water to the water supply path 413, (406). A portion of the water is also recycled to cool the anode effluent gas prior to passing the anode effluent gas through the shift unit 426 using path 427. The amount of water regenerated in path 427 is adjusted to provide the desired inlet temperature of the anode effluent gas to the shift unit. The arrangement of the water transfer device 409 is not limited to the arrangement shown and other suitable water transfer devices or assemblies such as a charging tower may be used in place of the water pump and the water rust-out port shown in Fig.

도시된 바와 같이, 미량의 물 및 CO와 함께 주로 수소 연료 및 CO2를 포함하는 물-분리된 양극 배출 가스는 물 전송 장치(409)의 물 녹-아웃 포트(411)를 나가 양극 배출 경로(407)에 의해 제1연결 장치(441A)에 운반된다. 제1연결 장치(441A)는 양극 배출 가스를 수소 이용 장치(30)로 이어지는 공급 경로(415)와 수소 전송 장치(450)로 이어지는 공급 경로(416)에 선택적으로 연결하도록 배치된다. 연결 장치(441A)는 장치의 전력 수요에 기초하여 제어 장치(401A)의 제어기(441)에 의해 제어된다. 특히, 제어 장치(401A)는 장치(400) 상의 가변 부하의 전력 수요의 변화를 감시하고 측정하며, 장치(401A)의 제어기(441)는 가변 부하의 변하는 전력 수요를 만족시키기 위해서 원하는 가스 연결을 제공하고 양극 배출 가스의 전송을 조절하도록 연결 장치(441A)를 제어한다.As shown, the water-separated anode effluent gas, which mainly contains hydrogen fuel and CO 2 together with traces of water and CO, leaves the water rust-out port 411 of the water transporter 409, 407 to the first connecting device 441A. The first connecting device 441A is arranged to selectively connect the anode exhaust gas to the supply path 415 leading to the hydrogen utilizing device 30 and to the supply path 416 leading to the hydrogen transfer device 450. [ The connection device 441A is controlled by the controller 441 of the control device 401A based on the power demand of the device. In particular, the control device 401A monitors and measures changes in the power demand of the variable load on the device 400, and the controller 441 of the device 401A adjusts the desired gas connection to meet the varying power demands of the variable load And controls the connection device 441A to regulate the transfer of the anode exhaust gas.

특히, 제어 장치(401A)에 의해 탐지된 전력 수요가 작을 때 및 특히 전력 수요가 고온 연료 전지(402)의 전력 출력보다 낮을 때, 제어기(441)는 경로에서 양극 배출 가스의 상당 부분이 경로(416)를 경유하여 수소 전송 장치(450)에 연결되도록 연결 장치(441A)를 조절한다. 이러한 방법으로, 양극 배출 가스의 상당 부분이 장치로부터의 배출을 위한 또는 장치에 의한 장래의 사용을 위한 수소의 생산을 위해 사용된다. 높은 전력 수요 동안, 제어기(441)는 양극 배출 가스에 있는 수소가 전력 생산을 위해 수소 이용 장치에서 사용되도록 양극 배출 가스의 전부 또는 상당 부분을 경로(415)를 통하여 수소 이용 장치(430)에 연결하도록 연결 장치(441A)를 조절한다. In particular, when the power demand detected by controller 401A is small, and particularly when the demand for power is lower than the power output of high temperature fuel cell 402, controller 441 determines that a significant portion of the anode off- 416 to regulate the connection device 441A to be connected to the hydrogen transfer device 450. [ In this way, a substantial portion of the anode effluent gas is used for the production of hydrogen for discharge from the apparatus or for future use by the apparatus. During high power demand, the controller 441 connects all or a substantial portion of the anode exhaust gas to the hydrogen utilization device 430 via path 415 such that the hydrogen in the anode effluent gas is used in the hydrogen utilization device for power production The connecting device 441A is adjusted.

도5에 도시되고 상기에 설명된 바와 같이, 경로(407)의 양극 배출 가스의 전부 또는 일부는 연결 장치(441A)로부터 수소 이용 장치(430)로 통과된다. 특정 예시적인 실시예에서, 수소 이용 장치(430)에는 또한 장치(430)에서 원하는 가스 구성을 달성하기 위해 공기 공급 경로(421)로부터 공기의 형태로 산화제 가스가 제공된다. 본 예시적인 실시예에서 도1의 장치에서와 같이, 장치(430)로부터의 방출물 질을 감소시키고 장치에서 연소 부산물로 NOx의 생성을 감소시키기 위해 희박 혼합물을 사용하여 수소 이용 장치(430)를 작동시키는 것이 바람직하다. 장치(430)의 희박 작동을 수행하기 위해, 제어기(441)는 충분한 양의 공기가 공기 공급 경로(421)로부터 수소 이용 장치(430)에 공급되도록 장치(430)에 공기의 공급을 제어한다. As shown in FIG. 5 and described above, all or a portion of the anode effluent gas in path 407 is passed from connecting device 441A to hydrogen-utilizing device 430. As shown in FIG. In certain exemplary embodiments, the hydrogen utilization apparatus 430 is also provided with oxidant gas in the form of air from the air supply path 421 to achieve the desired gas composition in the apparatus 430. [ As in the apparatus of Figure 1 in this exemplary embodiment, the lean mixture is used to reduce the emissions from the apparatus 430 and to reduce the production of NOx from the apparatus into combustion by- . The controller 441 controls the supply of air to the device 430 so that a sufficient amount of air is supplied from the air supply path 421 to the hydrogen utilization device 430. In order to perform the lean operation of the device 430,

특정 예시적인 실시예에서, 특히 배출되는 수소의 양을 최대화할 때, 수소 이용 장치(430)에는 또한 보충적 연료 공급기(도시되지 않음)로부터 보충적 연료 공급 경로(422)를 통하여 보충적 연료가 제공된다. 수소 이용 장치(430)에 제공되는 공기 공급 경로(421)로부터의 공기 및 공급 경로(422)로부터의 보충적 연료의 양은 수소 이용 장치(430)의 원하는 작동 및 측정된 전력 수요에 기초하여 제어 장치(401A)의 제어기(441)에 의해 제어된다. 예를 들어, 측정된 전력 수요가 높을 때, 제어기(441)는 측정된 수요를 만족시키도록 충분한 전력을 생산하기 위해 수소 이용 장치(430)에 제공되는 보충적 연료의 양을 제어한다. 도5에 도시되진 않았지만, 장치(430)에 제공되는 보충적 연료는 수소 전송 장치(450)에 의해 분리된 수소를 포함할 수 있다. In certain exemplary embodiments, particularly when maximizing the amount of hydrogen to be vented, the hydrogen utilization device 430 is also provided with supplemental fuel from the supplemental fuel supply (not shown) via the supplemental fuel supply path 422. The amount of air from the air supply path 421 provided to the hydrogen utilization device 430 and the amount of supplemental fuel from the supply path 422 is determined based on the desired operation of the hydrogen utilization device 430 and the measured power demand 401A. ≪ / RTI > For example, when the measured power demand is high, the controller 441 controls the amount of supplemental fuel provided to the hydrogen utilization device 430 to produce sufficient power to meet the measured demand. Although not shown in FIG. 5, the supplemental fuel provided to the device 430 may include hydrogen separated by the hydrogen transfer device 450.

상기에 설명되고 또한 도5에 도시된 바와 같이, 양극 배출 경로(407)에서 물-분리된 양극 배출 가스의 일부분은 또한 연결 경로(416)를 통하여 수소 전송 장치(450)로 보내진다. 본 예시적인 실시예에서 수소 전송 장치(450)는 경로(416)에서 물-분리된 양극 배출 가스를 압축하는 압축기(451) 및 물-분리된 양극 배출 가스로부터 수소를 분리하여 전송하고 수소-분리된 양극 배출 가스를 배출하는 부분 스윙 흡착(PSA, partial swing adsorption) 장치(452)를 포함한다. 도5에 도시된 예시적인 실시예에서, 수소 전송 장치(450)는 또한 물-분리된 양극 배출 가스를 전송 장치(450)의 압축기(451)에 공급하는 양극 배출 송풍기(453)를 포함한다. 5, a portion of the water-separated anode effluent gas in the anode exhaust path 407 is also sent to the hydrogen transfer apparatus 450 through the connection path 416. [ In the present exemplary embodiment, the hydrogen transfer apparatus 450 includes a compressor 451 that compresses the water-separated anode effluent gas in path 416 and a hydrogen separator 450 that separates and transfers hydrogen from the water- And a partial swing adsorption (PSA) device 452 for discharging the discharged anode exhaust gas. In the exemplary embodiment shown in FIG. 5, the hydrogen transfer apparatus 450 also includes a cathode discharge blower 453 that supplies the water-separated anode discharge gas to the compressor 451 of the transfer apparatus 450.

도시된 바와 같이, 연결 장치(441A)를 경로(416)에 연결시킴으로써 선택적으로 연결된 물-분리된 양극 배출 가스 부분은 양극 배출 송풍기(453)를 사용하여 전송 장치(450)의 압축기(451)에 제공된다. 압축기(451)는 물-분리된 양극 배출 가스를 압축하고 압축된 물-분리된 양극 배출 가스를 물-분리된 양극 배출 가스로부터 수소 배출 경로(418)로 수소를 분리하여 배출하는 PSA 장치(452)로 내보낸다. 이때 수소 배출 경로(418)로 전송된 수소는 장치 외부로 배출된다. 상기에 언급한 바와 같이, 배출 경로(418)로부터의 수소는 전력 수요가 높을 때 수소 이용 장치(430)에 제공될 수 있다. As shown, the water-separated anode exhaust gas portion selectively connected by connecting connector 441A to path 416 is connected to compressor 451 of transfer device 450 using a cathode exhaust blower 453 / RTI > The compressor 451 includes a PSA device 452 for compressing the water-separated anode effluent gas and for separating the compressed water-separated anode effluent gas from the water-separated anode effluent gas into a hydrogen discharge path 418 ). At this time, the hydrogen transferred to the hydrogen discharge path 418 is discharged to the outside of the apparatus. As mentioned above, hydrogen from the discharge path 418 may be provided to the hydrogen utilization device 430 when the power demand is high.

주로 CO2 가스를 포함하는 수소-분리된 양극 배출 가스는 PSA 유닛(452)에 의해 연결 경로(420)로 내보내진다. 도5에 도시된 바와 같이, 연결 경로(420)는 수소-분리된 양극 배출 가스가 수소 이용 장치(430)에 공급되도록 수소 이용 장치(430)와 연결된다. The hydrogen-separated anode effluent gas, which includes mainly CO 2 gas, is vented to the connection path 420 by the PSA unit 452. As shown in FIG. 5, the connection path 420 is connected to the hydrogen-utilizing device 430 so that the hydrogen-separated anode exhaust gas is supplied to the hydrogen-utilizing device 430.

수소 이용 장치(430)에서, 장치(430)에 공급된 보충적 연료에서 및 연결 경로(415)로부터의 물-분리된 양극 배출 가스에서 사용되지 않은 수소는 주로 N2, O2, H2O, CO2 및 소량의 사용되지 않은 탄화수소 연료를 포함하는 수소 이용 장치 배출 가스 및 전력을 생산하기 위해 공기 공급 경로(421)로부터 및 연결 경로(420)로부 터 공급된 산화제 가스 즉, 공기 및 CO2와 함께 연소된다. 이러한 수소 이용 장치 배출 가스는 수소 이용 장치(430)로부터 음극(404)의 입구(404A)로 이어지는 음극 산화 경로(424)에 전달된다. The unused hydrogen in the supplemental fuel supplied to the apparatus 430 and in the water-separated anode exhaust gas from the connection path 415 in the hydrogen utilization apparatus 430 is mainly N 2 , O 2 , H 2 O, Air and CO 2 supplied from the air supply path 421 and from the connecting path 420 to produce a hydrogen-utilizing apparatus exhaust gas and power including CO 2 and a small amount of unused hydrocarbon fuel Burned together. This hydrogen-utilizing device exhaust gas is transferred from the hydrogen-utilizing device 430 to the cathode oxidation path 424 leading to the inlet 404A of the cathode 404.

음극 산화 경로(424)에서 장치 배출 가스는 경로(424)에 의해 산화기(424A)에 전달된다. 특정 실시예에서, 공기 형태인 추가적인 산화제 가스는 또한 공급 경로(425)를 경유하여 산화기(424A)에 공급된다. 그러한 실시예에서, 공급 경로(425)에서 추가적인 산화제 가스는 먼저 압축기(425A)에 의해 압축되고 열 교환기(425B)에서 양극 배출 가스를 사용하여 예열된다. 이때 압축되고 예열된 추가적인 산화제 가스는 산화기(424A)에 제공된다. 산화기(424A)에서, 수소 이용 장치 배출 가스에서 어떤 연소되지 않은 탄화수소는 CO2 및 O2가 풍부한 산화제 가스를 생산하기 위해 산화된다. 이때 이러한 산화제 가스는 연료 전지(402)에서 전기화학 반응을 위해 경로(424)에 의해 음극 입구(404A)로 운반된다. In the cathode oxidation path 424, the device discharge gas is transferred to the oxidizer 424A by path 424. In certain embodiments, additional oxidant gas in the form of air is also fed to oxidizer 424A via feed path 425. [ In such an embodiment, the additional oxidant gas in the feed path 425 is first compressed by the compressor 425A and preheated using the anode exhaust gas in the heat exchanger 425B. At this time, the compressed and preheated additional oxidant gas is provided to the oxidizer 424A. In oxidizer 424A, some unburned hydrocarbons in the hydrogen utilization unit exhaust are oxidized to produce CO 2 and O 2 rich oxidant gas. This oxidant gas is then transported to the cathode inlet 404A by way of path 424 for electrochemical reactions in the fuel cell 402.

음극(404)은 음극 출구(404B)를 통하여 음극 배출 경로(428)로 음극 배출 가스를 내보낸다. 배출 경로(428)에서 음극 배출 가스는 연료 공급 경로(406)에서 연료를 예열하고 음극 배출 가스를 냉각하기 위해 제2열 교환기(406C)를 통하여, 이후 제1열 교환기를 통하여 보내진다. 냉각된 음극 배출 가스는 이때 장치(400)로부터 제거되고 추후 폐열 회수에 사용될 수 있다. The cathode 404 emits the cathode exhaust gas to the cathode exhaust path 428 through the cathode outlet 404B. In the discharge path 428, the cathode exhaust gas is sent through the second heat exchanger 406C, then through the first heat exchanger to preheat the fuel in the fuel supply path 406 and cool the cathode exhaust gas. The cooled cathode exhaust gas may then be removed from the apparatus 400 and subsequently used for waste heat recovery.

명확성 및 간결성을 위해, 도5에 도시된 장치(400)는 미래의 사용을 위해 분리된 수소 또는 양극 배출 가스를 저장하는 저장 장치, 수소 이용 장치(430)를 우 회시키는 우회 경로, 또는 음극 배출 가스의 일부를 음극(404)으로 재생하는 음극 재생 경로를 포함하지 않지만, 도5의 장치(400)는 도1의 장치(1)와 유사한 이러한 특징들을 포함하기 위해 변형될 수 있다. For clarity and brevity, the apparatus 400 shown in FIG. 5 may include a storage device for storing separate hydrogen or anode exhaust gases for future use, a bypass path to bypass the hydrogen-utilizing device 430, The apparatus 400 of FIG. 5 may be modified to include these features similar to the apparatus 1 of FIG. 1, although it does not include an anode regeneration path to regenerate a portion of the gas to the cathode 404.

모든 경우에서 상기 설명된 배치는 단지 본 발명의 응용을 나타내는 많은 가능한 특정 실시예의 일예라는 것을 이해할 수 있다. 예를 들어, 수소 이용 장치는 여기에 설명된 유형에 한정되지 않고 디젤 엔진과 같은 다른 장치가 전력생산 장치에 사용하기에 적당할 수 있다. 더욱이, 추가적인 구성요소는 최적의 전력 생산을 위해 수소 이용 장치에 공급된 가스의 원하는 성분을 달성하기 위해 요구될 수 있다. 그러므로 예를 들어, 디젤 엔진이 수소 이용 장치로 사용된다면 고압 무황 보충적 연료가 최적의 작동을 위해 필요로 할 수 있고, 따라서 압축기 및 탈황기가 보충적 연료를 압축하고 엔진에 공급하기 전에 연료에 존재하는 황함유 화합물을 제거하는데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 유기 랭킨 사이클(ORC, Organic Rankine Cycle) 장치는 ORC 장치의 유기 작동 유체를 가열하도록 고온 배출 가스를 사용함으로써 연료 전지 배출 가스로부터 추가적인 열을 회수하기 위해 전력생산 장치에 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 증기터빈 보토밍 사이클 장치는 증기터빈 장치의 작동 유체인 증기를 생산하도록 고온 배출 가스를 사용함으로써 연료 전지 배출 가스로부터 추가적인 열을 회수하기 위해 전력생산 장치에 사용될 수 있다. 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않는 범위에서 본 발명의 원리와 일치하는 많은 다른 장치 배열이 용이하게 고안될 수 있다.It will be appreciated that the arrangement described above in all cases is merely one example of many possible specific embodiments that illustrate the application of the present invention. For example, the hydrogen-utilizing device is not limited to the type described herein, and other devices such as a diesel engine may be suitable for use in a power generating device. Moreover, additional components may be required to achieve desired components of the gas supplied to the hydrogen-utilizing device for optimum power production. Thus, for example, if a diesel engine is used as a hydrogen-utilizing device, a high-pressure sulfur-free supplemental fuel may be required for optimal operation, and therefore, the compressor and the sulfur- Containing compounds. In some embodiments, an Organic Rankine Cycle (ORC) apparatus can be used in the power generation apparatus to recover additional heat from the fuel cell exhaust gas by using a hot discharge gas to heat the organic working fluid of the ORC apparatus . In some embodiments, the steam turbototoming cycle device may be used in a power generation device to recover additional heat from the fuel cell exhaust gas by using a hot exhaust gas to produce steam, the working fluid of the steam turbine device. Many other arrangements of devices consistent with the principles of the present invention may be readily devised without departing from the spirit and scope of the invention.

본 발명은 높은 연료 효율, 낮은 자본 및 작동 비용, 및 감소된 방출량을 갖는 개량된 연료 전지 전력생산 장치를 제공한다.The present invention provides an improved fuel cell power production device with high fuel efficiency, low capital and operating costs, and reduced emissions.

본 발명은 또한 수소 이용 장치와 결합된 고온 연료 전지를 채용하고 수소 이용 장치에서 효율적인 이용을 위해 고온, 저압 양극 방출 가스를 처리할 수 있는 연료 전지 전력생산 장치를 제공한다.The present invention also provides a fuel cell power production apparatus employing a high temperature fuel cell combined with a hydrogen utilization apparatus and capable of processing high temperature, low pressure anode emission gas for efficient use in a hydrogen utilization apparatus.

본 발명의 또 다른 1면은 자력 시동 능력을 갖는 연료 전지 전력생산 장치를 제공한다. Another aspect of the present invention provides a fuel cell power production apparatus having a magnetic starting capability.

Claims (57)

부하에 전력을 공급하는 연료 전지 전력생산 장치에 있어서,1. A fuel cell power producing apparatus for supplying power to a load, 연료 공급 경로로부터 연료를 받고 양극 배출 가스를 배출하는 양극 격실과 산화제 가스를 받고 음극 배출 가스를 배출하는 음극 격실을 포함하는 고온 연료 전지;A high temperature fuel cell including a cathode compartment for receiving fuel from a fuel supply path and discharging anode exhaust gas, and a cathode compartment for receiving oxidant gas and discharging cathode exhaust gas; 상기 양극 배출 가스에 있는 물을 전송하고 물-분리된 양극 배출 가스를 배출하는 물 전송 장치;A water transfer device for transferring water in said anode discharge gas and discharging a water-separated anode discharge gas; 산화제 가스와, 상기 물-분리된 양극 배출 가스로부터 추출된 가스 및 상기 물-분리된 양극 배출 가스 중 하나를 수용하고 산화제 가스를 포함하는 수소 이용 장치 배출 가스를 배출하는 수소 이용 장치;A hydrogen-utilizing device for receiving an oxidizer gas, a gas extracted from the water-separated anode exhaust gas, and one of the water-separated anode exhaust gas and discharging a hydrogen-utilizing apparatus exhaust gas containing an oxidizer gas; 가열된 산화제 가스를 배출하기 위해 상기 수소 이용 장치 배출 가스를 예열하고 산화하는 것 및 수소 이용 장치 배출 가스에서의 NOx와 반응하여 감소시키기 위해 상기 물-분리된 양극 배출 가스의 수소를 사용하는 것 중 적어도 하나를 위한 산화기 장치;Preheating and oxidizing the hydrogen-utilizing apparatus exhaust gas to discharge the heated oxidizer gas, and using hydrogen of the water-separated anode exhaust gas to react and reduce NOx in the hydrogen- An oxidizer device for at least one; 상기 물-분리된 양극 배출 가스를 상기 수소 이용 장치에 제공하지 않고 상기 물-분리된 양극 배출 가스의 전부 또는 일부를 상기 산화기에 통과시키기 위한 우회경로; 및 A bypass path for passing all or a portion of the water-separated anode exhaust gas through the oxidizer without providing the water-separated anode exhaust gas to the hydrogen-utilizing apparatus; And 상기 물 전송 장치로부터의 상기 물-분리된 양극 배출 가스를 상기 수소 이용 장치 및 상기 우회 경로의 적어도 하나에 선택적으로 연결시키는 제어 장치를 포함하고,And a control device for selectively connecting said water-separated anode exhaust gas from said water transfer device to at least one of said hydrogen utilization device and said bypass path, 상기 수소 이용 장치 배출 가스는 산화제 가스를 상기 음극에 제공하는데 사용된 것을 특징으로 하는 연료 전지 전력생산 장치.Wherein the hydrogen-utilizing apparatus exhaust gas is used to supply an oxidizing gas to the cathode. 제1항에 있어서,The method according to claim 1, 상기 물 전송 장치는 상기 물의 전부 또는 일부를 상기 연료 공급 경로로 전송하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 전력생산 장치.And the water transfer device transfers all or a part of the water to the fuel supply path. 제1항에 있어서,The method according to claim 1, 상기 수소 이용 장치는 내연 기관, 디젤 엔진, 연소 터빈, 복열식 터빈 및 마이크로터빈 중 하나를 포함하는 연료 전지 전력생산 장치.Wherein the hydrogen-utilizing device comprises one of an internal combustion engine, a diesel engine, a combustion turbine, a recuperated turbine, and a micro turbine. 제1항에 있어서,The method according to claim 1, 상기 물 전송 장치는,The water transfer apparatus includes: 상기 양극 배출 가스에서 물을 압축하는 열 교환기, 상기 양극 배출 가스로부터 물을 분리하기 위해 상기 열 교환기에 이어지는 녹아웃 포트 및 상기 분리된 물의 압력을 증가시키는 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 전력생산 장치.A heat exchanger for compressing water in the anode exhaust gas, a knock-out port leading to the heat exchanger for separating water from the anode exhaust gas, and a pump for increasing the pressure of the separated water. Device. 제1항에 있어서,The method according to claim 1, 상기 수소 이용 장치는 보충적 연료를 부가로 수용하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 전력생산 장치.Wherein said hydrogen-utilizing device further receives supplemental fuel. 제1항에 있어서,The method according to claim 1, 상기 고온 연료 전지는 탄산염 연료 전지인 것을 특징으로 하는 연료 전지 전력생산 장치.Wherein the high temperature fuel cell is a carbonate fuel cell. 제1항에 있어서,The method according to claim 1, 상기 음극으로 상기 음극 배출 가스의 일부를 재생하는 음극 배출 가스 재생 경로를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 전력생산 장치.And a cathode exhaust gas regeneration path for regenerating a part of the cathode exhaust gas to the cathode. 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,The method according to claim 1, 상기 연료 공급 경로의 상기 연료는 상기 음극 배출 가스 및 양극 배출 가스의 적어도 하나를 사용하여 예열되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 전력생산 장치.Wherein the fuel in the fuel supply path is preheated by using at least one of the cathode exhaust gas and the anode exhaust gas. 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,The method according to claim 1, 저장 장치를 추가로 포함하고,Further comprising a storage device, 상기 제어장치는 상기 물-분리된 양극 배출 가스의 일부를 상기 저장 장치에 선택적으로 연결하고 상기 저장 장치로부터의 상기 물-분리된 양극 배출 가스를 상기 수소 이용 장치로 선택적으로 연결하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 전력생산 장치.Wherein the control device selectively connects a portion of the water-separated anode exhaust gas to the storage device and selectively connects the water-separated anode exhaust gas from the storage device to the hydrogen-utilizing device Fuel cell power generation device. 제13항에 있어서,14. The method of claim 13, 배출 경로를 추가로 포함하고,Further comprising a discharge path, 상기 제어장치는 상기 물-분리된 양극 배출 가스의 일부를 상기 배출 경로에 선택적으로 연결하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 전력생산 장치.Wherein the control device selectively connects a part of the water-separated anode exhaust gas to the discharge path. 제1항에 있어서,The method according to claim 1, 산화제 가스를 수용하여 압축하는 압축기 및 가열되고 압축된 산화제 가스를 배출하기 위해 상기 양극 배출 가스를 이용하여 상기 압축된 산화제 가스를 예열하기 위한 열 교환기를 부가로 포함하고, Further comprising a compressor for receiving and compressing the oxidant gas and a heat exchanger for preheating the compressed oxidant gas using the anode exhaust gas to discharge the heated and compressed oxidant gas, 상기 산화기 장치는 상기 가열되고 압축된 산화제 가스를 수용하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 전력생산 장치.Wherein the oxidizer device receives the heated and compressed oxidant gas. 제14항에 있어서,15. The method of claim 14, 상기 부하의 변화에 반응하는 제어기;A controller responsive to a change in the load; 상기 물-분리된 양극 배출 가스의 일부가 상기 수소 이용 장치, 상기 저장 장치, 상기 배출 경로 및 상기 우회 경로에 선택적으로 운반되도록 상기 제어기에 반응하는 연결 유닛을 포함하고,And a connection unit that reacts to said controller such that a portion of said water-separated anode exhaust gas is selectively transported to said hydrogen utilization device, said storage device, said discharge path and said bypass path, 상기 물-분리된 양극 배출 가스의 적어도 일부는 상기 수소 이용 장치 및 상기 우회 경로의 적어도 하나에 연결되고 상기 저장 장치의 상기 양극 배출 가스의 적어도 일부가 상기 수소 이용 장치에 선택적으로 연결되도록 하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 전력생산 장치.Wherein at least a portion of the water-separated anode effluent gas is connected to at least one of the hydrogen utilization device and the bypass path and at least a portion of the anode effluent gas of the storage device is selectively connected to the hydrogen utilization device Fuel cell power generation device. 제16항에 있어서,17. The method of claim 16, 상기 장치는 상기 물-분리된 양극 배출 가스를 운반하는 양극 배출 경로; 제1재생 경로, 제2재생 경로, 수소 이용 장치 공기 공급 경로, 수소 이용 장치 보충적 연료 공급 경로, 저장 장치 입력 경로, 상기 우회 경로 및 상기 배출 경로를 부가로 포함하고,The apparatus comprising: a cathode exhaust path for carrying the water-separated anode exhaust gas; Further comprising a first regeneration path, a second regeneration path, a hydrogen utilization device air supply path, a hydrogen utilization device supplemental fuel supply path, a storage device input path, the bypass path and the discharge path, 상기 연결 유닛은 상기 양극 배출 경로에 있는 상기 물-분리된 양극 배출 가스를 제1재생 경로 및 제2재생 경로에 선택적으로 연결하는 제1연결 장치; 상기 제2재생 경로에 있는 상기 물-분리된 양극 배출 가스를 상기 배출 경로 및 저장 장치 입력 경로에 선택적으로 연결하는 제2연결 장치; 상기 저장 장치에 있는 상기 양극 배출 가스를 상기 수소 이용 장치 보충적 연료 공급 경로에 연결하는 제3연결 장치; 및 상기 제1재생 경로에 있는 상기 물-분리된 양극 배출 가스를 상기 수소 이용 장치 공기 공급 경로 및 상기 우회 경로에 선택적으로 연결하는 제4연결 장치를 포함하고,Said connecting unit comprising: a first connecting device for selectively connecting said water-separated anode exhaust gas in said anode discharge path to a first regeneration path and a second regeneration path; A second connecting device for selectively connecting the water-separated anode exhaust gas in the second regeneration path to the discharge path and the storage device input path; A third connecting device connecting the anode exhaust gas in the storage device to the hydrogen-using-device supplemental fuel supply path; And a fourth connecting device for selectively connecting the water-separated anode exhaust gas in the first regeneration path to the hydrogen-utilizing device air supply path and the bypass path, 상기 물-분리된 양극 배출 가스의 적어도 일부는 작동 시간 내내 상기 제1재생 경로에 연결되고;At least a portion of said water-separated anode effluent gas is connected to said first regeneration path during operation time; 상기 부하가 낮은 전력 수요를 나타낼 때, 상기 물-분리된 양극 배출 가스의 일부가 상기 우회 경로 및 상기 제2재생 경로의 적어도 하나에 연결되고;A portion of said water-separated anode exhaust gas is connected to at least one of said bypass path and said second regeneration path when said load exhibits a low power demand; 상기 부하가 높은 전력 수요를 나타낼 때, 상기 물-분리된 양극 배출 가스는 상기 제1재생 경로 및 상기 수소 이용 장치 공기 공급 경로에 연결되고 저장 장치 내의 상기 양극 배출 가스의 일부가 상기 수소 이용 장치 보충적 연료 공급 경로에 연결되도록 상기 제어기는 상기 제1 내지 제4연결 장치를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 전력생산 장치.When the load represents a high power demand, the water-separated anode exhaust gas is connected to the first regeneration path and the hydrogen-utilizing apparatus air supply path, and a part of the anode exhaust gas in the storage device is supplemented to the hydrogen- And the controller controls the first to fourth connection devices so as to be connected to the fuel supply path. 삭제delete 제17항에 있어서,18. The method of claim 17, 상기 수소 이용 장치는 보충적 연료를 부가로 수용하고, The hydrogen-utilizing device additionally receives supplemental fuel, 상기 부하가 낮은 전력 수요를 나타낼 때 보충적 연료가 상기 수소 이용 장치에 공급되지 않고 상기 부하가 높은 전력 수요를 나타낼 때 상기 높은 전력 수요를 만족시키기 위해 증가된 양의 보충적 연료가 상기 수소 이용 장치에 제공되도록 상기 제어기는 상기 수소 이용 장치로의 상기 보충적 연료의 공급을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 전력생산 장치.When the load exhibits a low power demand and when supplemental fuel is not supplied to the hydrogen utilization apparatus and the load exhibits a high power demand, an increased amount of supplemental fuel is provided to the hydrogen utilization apparatus to satisfy the high power demand. Wherein the controller controls the supply of the supplemental fuel to the hydrogen-utilizing device. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,The method according to claim 1, 상기 물-분리된 양극 배출 가스를 압축하는 압축기를 추가로 포함하고,Further comprising a compressor for compressing said water-separated anode exhaust gas, 상기 산화기 장치는 가열된 산화제 가스를 출력하기 위해 상기 수소 이용 장치 배출 가스를 예열하고 산화하기 위한 것이고,Wherein the oxidizer device is for preheating and oxidizing the hydrogen-utilizing device exhaust gas to output a heated oxidant gas, 상기 수소 이용 장치는 공기를 수용하고 압축하는 압축기 부분, 상기 압축된 공기를 가열하기 위해 상기 압축기로부터 압축된 물-분리된 양극 배출 가스 및 보충적 연료를 수용하여 연소하는 연소 부분, 및 상기 수소 이용 장치 배출 가스를 상기 산화기 장치에 배출하고 상기 가열되고 압축된 공기로부터 전력을 생산하는 터빈 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 전력생산 장치.Wherein the hydrogen-utilizing device comprises a compressor portion that receives and compresses air, a combustion portion that receives and combusts a water-separated anode effluent gas and a supplemental fuel compressed from the compressor to heat the compressed air, And a turbine portion for discharging the offgas to the oxidizer device and producing power from the heated and compressed air. 제1항에 있어서,The method according to claim 1, 상기 장치는 상기 물-분리된 양극 배출 가스에 있는 수소를 배출 경로로 전송하고 수소-분리된 가스를 배출하는 수소 전송 장치; 및Said apparatus comprising: a hydrogen transfer device for transferring hydrogen in said water-separated anode effluent to an exhaust path and discharging hydrogen-segregated gas; And 상기 물-분리된 양극 배출 가스의 일부를 상기 수소 전송 장치에 부가로 선택적으로 연결하는 제어 장치를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 전력생산 장치.Further comprising a control device for selectively coupling a portion of said water-separated anode exhaust gas to said hydrogen transfer device. ≪ Desc / Clms Page number 19 > 제24항에 있어서,25. The method of claim 24, 상기 장치는 상기 양극 배출 가스로부터 물을 전송하기 전에 양극 배출 가스에 있는 CO2를 H2로 변환하는 가스 쉬프트 유닛을 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 전력생산 장치.Wherein the apparatus further comprises a gas shift unit for converting CO 2 in the anode effluent gas to H 2 prior to transferring water from the anode effluent gas. 제25항에 있어서,26. The method of claim 25, 상기 수소 전송 장치가 상기 물-분리된 양극 배출 가스의 일부를 압축하는 압축기 및 상기 압축된 물-분리된 양극 배출 가스로부터 수소를 분리하고 수소 분리된 가스를 상기 수소 이용 장치에 배출하는 PSA 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 전력생산 장치Wherein the hydrogen delivery system comprises a compressor for compressing a portion of the water-separated anode effluent gas and a PSA device for separating hydrogen from the compressed water-separated anode exhaust gas and discharging the hydrogen- The fuel cell power generating device 제1, 2, 5, 10, 16, 17, 19, 23, 24, 25 및 26항 중 어느 한 항에 따르는 연료 전지 전력생산 장치를 이용하여 부하에 전력을 공급하는 전력생산 방법에 있어서,A power generation method for supplying power to a load using a fuel cell power production apparatus according to any one of claims 1, 2, 5, 10, 16, 17, 19, 23, 24, 25 and 26, 연료 공급 경로로부터 상기 연료 전지 양극에 연료를 공급하는 것;Supplying fuel from the fuel supply path to the fuel cell anode; 상기 연료 전지 양극 격실로부터 양극 배출 가스를 배출하는 것;Discharging the anode exhaust gas from the fuel cell anode compartment; 상기 양극 배출 가스로부터 물을 전송하고 물-분리된 양극 배출 가스를 배출하는 것;Transferring water from the anode exhaust gas and discharging the water-separated anode exhaust gas; 상기 수소 이용 장치로 상기 물-분리된 양극 배출 가스로부터 추출된 가스 및 상기 물-분리된 양극 배출 가스 중 하나 및 산화제 가스를 제공하는 것; 및Providing the hydrogen-utilizing device with one of the gas extracted from the water-separated anode effluent gas and the water-separated anode effluent gas and the oxidant gas; And 산화제 가스로의 사용을 위하여 산화제 가스를 포함하는 수소 이용 장치 배출 가스를 상기 수소 이용 장치로부터 상기 연료 전지 음극으로 배출하는 것을 포함하는 전력생산 방법.And discharging a hydrogen-utilizing apparatus exhaust gas containing an oxidizing gas from the hydrogen-utilizing apparatus to the fuel cell cathode for use as an oxidizing gas. 제1항에 있어서,The method according to claim 1, 상기 물 전송 장치는 부분압 스윙 물 전송 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 전력생산 장치.Wherein the water transfer device comprises a partial pressure swing water transfer device. 제1항에 있어서,The method according to claim 1, 상기 물 전송 장치는 엔탈피 휠 가습기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 전력생산 장치.Wherein the water transfer device comprises an enthalpy wheel humidifier. 제1항에 있어서,The method according to claim 1, 상기 물 전송 장치는 냉각 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 전력생산 장치.Wherein the water transfer device includes a cooling device. 제1항에 있어서,The method according to claim 1, 상기 물 전송 장치는 멤브레인을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 전력생산 장치.Wherein the water transfer device comprises a membrane. 제1항에 있어서,The method according to claim 1, 상기 물 전송 장치는 충전탑을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 전력생산 장치.Wherein the water transfer device comprises a charging tower. 제1항에 있어서,The method according to claim 1, 상기 물 전송 장치는 흡착/스트리퍼 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 전력생산 장치.Wherein the water transfer device comprises an adsorption / stripper device. 제1항에 있어서,The method according to claim 1, 상기 수소 이용 장치는 보충적 연료를 부가로 수용하고 상기 부하의 변화에 반응하고 상기 수소 이용 장치에 제공된 보충적 연료를 제어하는 제어 장치를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 전력생산 장치.Wherein said hydrogen utilization device further comprises a control device for receiving supplemental fuel and for responding to the change of said load and for controlling supplemental fuel provided to said hydrogen utilization device. 제1항에 있어서,The method according to claim 1, 상기 수소 이용 장치는 보충적 연료 및 산화제 가스를 공기의 형태로 부가로 수용하고, 상기 장치는 부가로 상기 부하의 변화에 반응하고 상기 수소 이용 장치에 제공된 상기 공기 및 연료를 제어하는 제어 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 전력생산 장치.Wherein the hydrogen utilization device additionally receives supplemental fuel and oxidant gas in the form of air and the device further comprises a control device responsive to the change in load and controlling the air and fuel provided to the hydrogen utilization device Wherein the fuel cell power generating device is a fuel cell power generating device. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,The method according to claim 1, 상기 물-분리된 양극 배출 가스를 압축하는 압축기를 추가로 포함하고,Further comprising a compressor for compressing said water-separated anode exhaust gas, 상기 산화기 장치는 가열된 산화제 가스를 출력하기 위해 상기 수소 이용 장치 배출 가스를 예열하고 산화하기 위한 것이고,Wherein the oxidizer device is for preheating and oxidizing the hydrogen-utilizing device exhaust gas to output a heated oxidant gas, 상기 수소 이용 장치는 공기를 수용하고 압축하는 압축기 부분, 양극 배출 가스 및 음극 배출 가스 중 적어도 하나를 사용하여 상기 압축된 공기를 가열하는 복열기, 상기 압축된 공기를 부가로 가열하기 위해 상기 압축기로부터 압축된 물-분리된 양극 배출 가스 및 보충적 연료를 수용하고 연소하는 연소 부분, 및 상기 수소 이용 장치 배출 가스를 상기 산화기 장치로 배출하고 상기 부가로 가열되고 압축된 공기로부터 전력을 생산하는 터빈 부분을 포함하는 복열식 터빈을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 전력생산 장치.Wherein the hydrogen-utilizing device comprises: a compressor portion for receiving and compressing air; a condenser for heating the compressed air using at least one of a cathode exhaust gas and a cathode exhaust gas; a compressor for heating the compressed air further from the compressor A combustion section for receiving and combusting compressed water-separated anode exhaust gas and supplemental fuel, and a turbine section for discharging said hydrogen utilization apparatus exhaust gas to said oxidizer device and producing power from said additional heated and compressed air And a recuperative turbine including the recuperated turbine. 삭제delete 삭제delete 제24항에 있어서,25. The method of claim 24, 상기 수소 이용 장치가 상기 수소 전송 장치로부터 수소-분리된 가스를 부가로 수용하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 전력생산 장치.And the hydrogen-utilizing device further receives a hydrogen-separated gas from the hydrogen-transfer device. 삭제delete 제25항에 있어서,26. The method of claim 25, 상기 수소 전송 장치가 상기 물-분리된 양극 배출 가스의 일부를 압축하는 압축기, 상기 물-분리된 배출 가스의 일부를 상기 압축기에 공급하는 송풍기, 압축된 물-분리된 양극 배출 가스로부터 수소를 분리하고 수소 분리된 가스를 상기 수소 이용 장치에 배출하는 PSA 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 전력생산 장치.Wherein the hydrogen transfer device comprises a compressor for compressing a portion of the water-separated anode exhaust gas, a blower for supplying a portion of the water-separated off-gas to the compressor, a separator for separating hydrogen from the compressed water- And a PSA device for discharging the hydrogen-separated gas to the hydrogen-utilizing device. 부하에 전력을 공급하는 연료 전지 전력생산 장치에 있어서,1. A fuel cell power producing apparatus for supplying power to a load, 연료 공급 경로로부터 연료를 받고 양극 배출 가스를 배출하는 양극 격실과 산화제 가스를 받고 음극 배출 가스를 배출하는 음극 격실을 포함하는 고온 연료 전지;A high temperature fuel cell including a cathode compartment for receiving fuel from a fuel supply path and discharging anode exhaust gas, and a cathode compartment for receiving oxidant gas and discharging cathode exhaust gas; 상기 양극 배출 가스에 있는 물을 전송하고 물-분리된 양극 배출 가스를 배출하는 물 전송 장치;A water transfer device for transferring water in said anode discharge gas and discharging a water-separated anode discharge gas; 산화제 가스와 상기 물-분리된 양극 배출 가스로부터 추출된 가스 및 상기 물-분리된 양극 배출 가스 중 하나를 수용하고 산화제 가스를 포함하는 수소 이용 장치 배출 가스를 배출하는 수소 이용 장치;A hydrogen utilization apparatus for receiving an oxidizer gas, a gas extracted from the water-separated anode exhaust gas, and one of the water-separated anode exhaust gas and discharging a hydrogen-utilizing apparatus exhaust gas containing an oxidant gas; 저장 장치; 및 A storage device; And 상기 물-분리된 양극 배출 가스의 일부를 상기 저장 장치에 선택적으로 연결하고 상기 저장 장치로부터의 상기 물-분리된 양극 배출 가스를 상기 수소 이용 장치로 선택적으로 연결시키는 제어 장치를 포함하고,And a control device selectively connecting a portion of said water-separated anode exhaust gas to said storage device and selectively connecting said water-separated anode exhaust gas from said storage device to said hydrogen-utilizing device, 상기 수소 이용 장치 배출 가스는 산화제 가스를 상기 음극에 제공하는데 사용된 것을 특징으로 하는 연료 전지 전력생산 장치.Wherein the hydrogen-utilizing apparatus exhaust gas is used to supply an oxidizing gas to the cathode. 부하에 전력을 공급하는 연료 전지 전력생산 장치에 있어서,1. A fuel cell power producing apparatus for supplying power to a load, 연료 공급 경로로부터 연료를 받고 양극 배출 가스를 배출하는 양극 격실과 산화제 가스를 받고 음극 배출 가스를 배출하는 음극 격실을 포함하는 고온 연료 전지;A high temperature fuel cell including a cathode compartment for receiving fuel from a fuel supply path and discharging anode exhaust gas, and a cathode compartment for receiving oxidant gas and discharging cathode exhaust gas; 상기 양극 배출 가스에 있는 물을 전송하고 물-분리된 양극 배출 가스를 배출하는 물 전송 장치;A water transfer device for transferring water in said anode discharge gas and discharging a water-separated anode discharge gas; 산화제 가스와 상기 물-분리된 양극 배출 가스로부터 추출된 가스 및 상기 물-분리된 양극 배출 가스 중 하나를 수용하고 산화제 가스를 포함하는 수소 이용 장치 배출 가스를 배출하는 수소 이용 장치;A hydrogen utilization apparatus for receiving an oxidizer gas, a gas extracted from the water-separated anode exhaust gas, and one of the water-separated anode exhaust gas and discharging a hydrogen-utilizing apparatus exhaust gas containing an oxidant gas; 상기 물-분리된 양극 배출 가스에 있는 수소를 배출 경로로 전송하고 수소-분리된 가스를 배출하는 수소 전송 장치; 및A hydrogen transfer apparatus for transferring hydrogen in the water-separated anode exhaust gas to an exhaust path and discharging the hydrogen-separated gas; And 상기 물-분리된 양극 배출 가스를 상기 수소 이용 장치에 선택적으로 연결시키는 제어 장치를 포함하고,And a control device for selectively connecting the water-separated anode exhaust gas to the hydrogen-utilizing device, 상기 수소 이용 장치 배출 가스는 산화제 가스를 상기 음극에 제공하는데 사용된 것을 특징으로 하는 연료 전지 전력생산 장치.Wherein the hydrogen-utilizing apparatus exhaust gas is used to supply an oxidizing gas to the cathode. 부하에 전력을 공급하는 연료 전지 전력생산 장치에 있어서,1. A fuel cell power producing apparatus for supplying power to a load, 연료 공급 경로로부터 연료를 받고 양극 배출 가스를 배출하는 양극 격실과 산화제 가스를 받고 음극 배출 가스를 배출하는 음극 격실을 포함하는 고온 연료 전지;A high temperature fuel cell including a cathode compartment for receiving fuel from a fuel supply path and discharging anode exhaust gas, and a cathode compartment for receiving oxidant gas and discharging cathode exhaust gas; 상기 양극 배출 가스에 있는 물을 전송하고 물-분리된 양극 배출 가스를 배출하는 물 전송 장치; 및A water transfer device for transferring water in said anode discharge gas and discharging a water-separated anode discharge gas; And 산화제 가스와 상기 물-분리된 양극 배출 가스로부터 추출된 가스 및 상기 물-분리된 양극 배출 가스 중 하나를 수용하고 산화제 가스를 포함하는 수소 이용 장치 배출 가스를 배출하는 수소 이용 장치를 포함하고,And a hydrogen utilization device for receiving the oxidizer gas, the gas extracted from the water-separated anode effluent gas, and the water-separated anode effluent gas, and discharging the hydrogen utilizing apparatus exhaust gas containing the oxidant gas, 상기 수소 이용 장치 배출 가스는 산화제 가스를 상기 음극에 제공하는데 사용되고, Wherein the hydrogen-utilizing device exhaust gas is used to provide an oxidant gas to the cathode, 상기 수소 이용 장치는 히터, 및 압축기 부분과 터빈 부분을 포함하는 마이크로 터빈을 포함하고, 상기 압축기 부분은 공기를 수용하고 압축하기 위한 것이고, 상기 히터는 상기 압축된 공기를 예열하기 위한 것이고, 상기 터빈 부분은 상기 수소 이용 장치 배출 가스를 상기 음극에 배출하고 상기 가열되고 압축된 공기로부터 전력을 생산하기 위한 것이며, Wherein the hydrogen-utilizing device comprises a heater, and a microturbine comprising a compressor portion and a turbine portion, the compressor portion being for receiving and compressing air, the heater for preheating the compressed air, Portion is for discharging the hydrogen-utilizing apparatus exhaust gas to the cathode and producing electric power from the heated and compressed air, 상기 연료 전지 전력 생산 장치는 압축 가스를 생성하기 위하여 상기 물-분리된 양극 배출 가스 및 보충적 연료를 압축하기 위한 부스트 압축기; 및 상기 압축된 가스와 상기 히터로부터의 상기 압축된 공기를 산화하고 상기 가열된 압축 공기를 상기 터빈 부분에 출력하기 위한 산화기 장치를 추가로 포함하며,The fuel cell power production apparatus includes a boost compressor for compressing the water-separated anode exhaust gas and the supplemental fuel to produce a compressed gas; And an oxidizer device for oxidizing the compressed gas and the compressed air from the heater and for outputting the heated compressed air to the turbine section, 상기 마이크로 터빈의 상기 압축기 부분으로부터의 상기 압축된 공기는 음극 배출 가스를 사용하여 추가로 예열되고, The compressed air from the compressor portion of the microturbine is further preheated using a cathode exhaust gas, 상기 물 전송 장치는 상기 양극 바기 가스에서의 물을 응축하고 분리하기 위한 냉각기, 상기 분리된 물의 압력을 증가시키기 위한 펌프, 상기 물에 가습하고 상기 가습된 물을 상기 연료 공급 통로에 추가하기 위해 상기 압력이 증가된 물과 음극 배기 가스를 수용하기 위한 가습 열 교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 전력 생산 장치.Said water transfer device comprising: a cooler for condensing and separating water in said anode barrel gas, a pump for increasing the pressure of said separated water, a pump for humidifying said water and for adding said humidified water to said fuel supply passage And a humidifying heat exchanger for accommodating the increased pressure water and cathode exhaust gas. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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